基础振动对磁悬浮盘片系统动力学行为的影响研究.pdf

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1、基础振动对磁悬浮盘片系统动力学行为的影响研究口张薇薇宁波工程学院机械工程学院浙江宁波315016摘要：建立了基础一磁力轴承一盘片系统的动力学模型，仿真研究了磁力轴承的基础受不同频率、不同幅值正弦激励和阶跃激励时磁悬浮盘片系统的动力学行为，并对系统进行了激振实验。结果表明，磁力轴承的控制器对系统基础振动的抑制能力有限；当激励频率和振幅超过一定范围时，转子会失稳，因此当磁力轴承用于基础运动的场合时，控制器的设计应考虑基础振动的影响。关键词：磁力轴承磁悬浮盘片基础振动动力学特性中图分类号：TH133文献标识码：A文章编号：1000—4998(2010)11—0013—03目前对磁悬浮转子系统的研究

2、主要集中在基础固定的场合，然而，磁悬浮转子技术在诸如航空发动机、车载飞轮电池等基础需运动的场合也有很好的应用前景。这些应用给磁悬浮转子系统的设计提出了更高的要求，即要求磁力轴承不但能够抵制转子系统内部的振动，而且要能够抵制来自基础振动的影响。针对基础振动对磁悬浮转子系统的影响，国内外研究者做了～些工作。2003年浙江大学祝长生研究了基础的单频横向振动对磁悬浮转子系统动力学特性的影响，指出控制器对基础横向振动的抑制能力比较弱，在控制器设计过程中必须考虑基础振动的影响⋯，但没有涉及其它激励对系统的影响。文献【2]提出了基于]㈩加速度反馈的方法，在一定范围内这种方法既不影响系统主要控制性能指标，又

3、可减0,-基础振动对磁悬浮轴承转子不平衡响应的影响，但没有涉及转子精度的问题。ColeM0T【1等提出了能够对基础冲击和振动具有良好抑制效果的控制策略，但缺乏对系统基本特性的研究。本文旨在通过理沦分析和实验研究基础振动对磁悬浮盘片系统动力学特性的影响．为磁悬浮转子技术应用于基础运动的场合提供技术支持。皂．．、1系统动力学模型磁悬浮盘片系统如图1所示。图中环状盘片由45号钢制造，外径D=302mill、内径d=156mnl、厚度2．5nlIll、质量m：1．01kg，盘片由3个磁力轴承支承，电磁铁与悬浮盘片间的平衡间隙为8131Ill。建立磁悬浮盘片系统的几何模型，如图2所示。盘片在空间有6个

4、自由度，盘片沿z轴的平动和绕、】，轴的转动由3个磁力轴承来控制，盘片沿、Y轴平动的2个自由度由电磁场的向心效应力约束】，盘片绕z收稿日期：201O年5月机械制造48卷第555期2o10／11囵l数Ko=18；积分系数K=6，微分系数Ka=0．8；G(s)=[2／(25+1)]A／v，G(S)=0．4V／mm；磁极面积A=250mm；偏置电流io=2．5A；盘片的平衡间隙o=8nlIIl；线圈匝数N=2300。经计算得磁力轴承的力一电流系数=l4．6，磁力轴承的力一位移系数=2．92。运用Matlab中的Simulink对系统在不同激【]=c([墨]一[])=[一3一oa⋯J一2-：一J2—1

5、[ozx]+z]励下的动力学特性进行仿真。根据图3，以干扰力作为输入，磁悬浮盘片的位移作为输出，可得：而=_二二(4)记=，x~qb当不同激励作用于系统基础上时，由式(4)可得磁悬浮盘片的位移。12．1正弦激励【图4为基础的振动频率为5Hz时，不同幅值的正弦激励(分别为5N，30N，60N)下磁悬浮盘片的位移响应曲线。由图可知，系统对5Hz的正弦激励具有一定的抑制能力，系统在较短的时间内即可回到平衡位置，且不同激励幅值对盘片的位移响应影响不明显。4=一剖G=＼3a／2-a／2图5为基础的振动频率为10Hz时，不同幅值的正弦激励(分别为5N，30N，60N)下磁悬浮盘片的位移响应曲线。由图可知

6、，系统对10Hz的正弦激励比对2系统动力学特性仿真5Hz的正弦激励的抑制能力要强，因为系统在较短的时间内即可回到平衡位置，且不同激励幅值对盘片的位移响应影响亦不明显。2．2阶跃激励图6为不同幅值(分别为100N、80N、50N)大小的阶跃激励下盘片的位移响应曲线。由图6可知，当阶跃激励的幅值过大时，盘片位移的超调量越大，当超调量超过传感器的检测范围后，盘片会失稳。3实验研究3．1实验装置磁悬浮盘片系统激振实验原理如图7所示，通过B&K振动测试系统的信号发生器产生正弦、脉冲激振信号，激振信号通过功率放大器放大后输入激振器对▲图3控制系统框图盘状磁悬浮装置基座进行激振。激振过程中，基座底板40N

7、30Ni、

8、2。_八＼澄辇。／．j罂一z5N‘。蔓j一-----趣譬_篓一艇{堡荔．sr0O．511．52趣05l152，t／s00511．52t／s▲图4激振频率为5Hz，不同幅值激振频率为l0Hz，不同幅值正弦激正弦激励时盘片的位移励时盘片的位移▲图6不同幅值阶跃激励下盘片的位移2O1O／11机械制造48卷第555期64128256576832I2161472频率／Hz▲图8不同频率正弦激振时盘片的▲图7