马俊磁悬浮轴承--电磁轴承.ppt

磁悬浮轴承理论研究及应用,马俊 导师：李自贵 机电二班 s20110218,1. 前言 2. 电磁轴承工作原理及数学模型 3. 电磁轴承的故障诊断 4.电磁轴承的应用 5. 总结与展望,1.前言,所谓的磁悬浮轴承就是利用磁性原理使之没有机械接触的轴承。 从本质上说，任何一个磁悬浮问题，归纳起来就是一个磁浮轴承问题，其机理基本一致，研究方法也类似。磁浮轴承是利用磁场力将转子无接触地悬浮在空间的新型机电一体化轴承，它综合运用了机械学、转子动力学、电磁学、电子学、控制理论和计算机科学等多学科的知识，是一项高科技前沿技术。,1.1电磁轴承的优缺点,优点：电磁轴承因轴与轴承无直接接触，不需润滑，能在真空中和很宽的温度范围内工作，摩擦阻力小，不受速度限制（有的转速高达2300万转/分,线速度高达3倍音速）,使用寿命长,结构可多样化。 缺点：静电轴承需要很大的电场强度,应用受到限制，只能在少数仪表中使用。,1.2磁悬浮技术发展状况,20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，它是最早对磁悬浮列车研究的系统。随着技术的发展，特别是固体电子学出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1 km轨道上时速达165 km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。我国对磁悬浮列车的研究起步晚，1989年3月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮试验样车。1995年，我国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学建成，并且成功进行稳定悬浮导向驱动控制和载人运行等时速为300 km的试验。,西南交通大学这条试验线的建成，标志我国已经掌握了制造磁悬浮列车的技术，上海将辅设13.8 km的磁悬浮铁路，那时我国将成为世界上第一个具有磁悬浮运营铁路的国家。,当前，国际上对磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。1988年召开了第一届国际磁悬浮轴承会议，此后每两年召开一次。1991年，美国航空航天管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。现在，美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力，推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。 国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室阶段，落后外国约20年。1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究。此后，清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学等都在进行这方面的研究工作。,1.3磁悬浮轴承的分类,2.电磁轴承工作原理及数学模型,定义：利用电场力、磁场力使轴悬浮的滑动轴承。 组成：实际使用的电磁轴承一般由径向轴承、推力轴承、伺服控制回路、阻尼器、速度传感器或位置传感器等组成。 分类：根据使轴承悬浮的力的来源的分类如右图所示。,一个转子要实现完全的悬浮需在其五个自由度上施加控制力，即需要两个径向轴承和一个推力轴承。这样的三个磁力轴承和转子加上电子控制器就构成了一个完整的电磁轴承系统（简称AMBS）。一个完整的电磁轴承系统通常包括2个径向轴承和1个轴向轴承及其控制系统；每个径向轴承有2个自由度，每个轴向轴承有1个自由度，这样一个电磁轴承共有5个自由度。,2.1电磁轴承的工作原理,图1 单自由度磁轴承系统原理图 工作原理：转子在偏置电流I0的作用下处于平衡位置x0，若某时刻出现一干扰f0，转子就会偏离平衡位置，偏移为x，为使轴承回到平衡位置，须加上控制电流ic，使电磁铁的磁力增加，电磁铁的磁力减小。此时转子所受的力为：,其中：u。是导磁率，S为气隙截面积，N线圈匝数。对式（1）在（ x0 =0， ic =0）处线性化，在不考虑其他情况下，由牛顿第二定律得：,2.2 磁悬浮轴承数学模型,磁悬浮主轴的总体结构 五自由度主轴电磁轴承转子系统的结构如图2.7所示。转子两端各有一个辅助轴承，在轴承正常工作期间，辅助轴承不与转子接触。当突然断电，或者主动磁轴承失控时，辅助轴承起临时支撑高速旋转转子接触，防止转子与电机定子及主动磁轴承定子相碰撞而损坏整个系统。当磁轴承不工作时，转子也应落在辅助轴承上，对转子在径向和轴向起保护作用。图中前径向轴承3和后径轴承7制约径向两个平动和转动，轴向轴承4制约轴向运动。整个主轴装有五个涡流式传感器。,1-辅助轴承 2-径向传感器 3-前径向轴承 4-轴向轴承 5-高频电机 6-转子 7后径向轴承 8-轴向传感器 图2.7 磁悬浮主轴单元结构布置图,根据分析，可以将一个五自由度的模型分解成两个二自由度和一个轴向单自由度分别考虑。这样，问题简化为建立二自由度问题数学模型。以此，下面我们对这两自由度子系统在x-z平面进行分析，同理可以知道y-z平面数学模型。,模型,刚性 转子 模型,柔性 转子 模型,高速模型,低速模型,模型简化原则,弹性转子数学模型,集中参数法,在完整的电磁轴承系统中，电磁铁的作用是为保持转子在预定位置上的稳定悬浮提供电磁力。当转子中心发生偏移时，偏移量由位置信号传感器拾取后送到调节电路及功率放大电路，输出一个控制电压或电流，调节电磁铁的磁场力，使转子回到正常位置。,辅助轴承,径向轴承,3 .电磁轴承的故障诊断,故障诊断本身是一个永无止境的问题，不同的系统和设备各有自己的故障诊断方法，但也有一些共同方法，目前神经网络、模糊技术、遗传算法、粗集理论、专家系统、知识库、冗余与容错技术等。,与传统机械轴承不同，磁悬浮轴承需要一套电控系统来维持其工作，电控系统主要包括控制器、传感器和驱动器。其中控制器是电磁轴承系统重要的环节，其性能与系统的稳定性及各项技术指标有密切关系。,3.1 控制系统数据通道的故障诊断 磁力轴承控制系统数据通道包含:从传感器采集的转子位移数据，直到形成电磁铁线圈的反馈控制电流的整个过程中的数据采集、转换、控制与传输通道。只有数据通道正常工作，才能稳定地控制磁悬浮转子。数据通道故障诊断的主要内容就是对通道中的各个组成部分进行检测、测试与诊断。具体实现过程针对以基于工控机和所采用的PCI一1711工控卡为硬件基础的控制通道。,PCI-1711数据采集模块,PCI一1711工控卡组成框图,（1）. 控制系统中A/D转换器的故障诊断方法：输入标准模拟信号，检测转换后的数字信号，与理论上的数字信号进行比较。具体操作过程采用“三点检测法”，所谓“三点检测法”就是输入的模拟信号分别为最大值(sv)、中间值(2.5v)和最小值(Ov)，检测相应的12位数字信号。,（2）.D/A转换部分的故障诊断方法是:用程序控制12位数字量从全“0”依次均匀增大到全“1”，用示波器观察所产生的模拟信号，应为均匀的锯齿波，从波形不仅可以看出模拟电压的最大值和最小值，而且还能看出锯齿波在一个周期内是否是理想直线。,（ 3）.对功率放大器的测试，可以直接输入标准电压信号检测输出相应的电流信号。,3.2 传感器故障诊断,主动磁悬浮轴承在工作时需要用位移传感器实时检测转子的位置。大多数主动磁悬浮轴承都采用涡流位移传感器。在主动磁悬浮轴承中, 涡流位移传感器的传感头与转子的间隙一般小于1 mm, 传感头在工作过程中要经受振动、高速气流等考验, 工作环境比较恶劣, 是整个传感器中最容易出现故障的环节。主动磁悬浮轴承系统常常采用差动式位移传感器以提高位移检测的性能。 从传感器的功能角度来看，其故障失效形式有两种，一种问完全失效；另一种为部分失效。,以差动式位移传感器为例,根据差分电路的特点，假设Ks1=Ks2=Ks,则Vd=Ks(d1-d2),图一,此特征可以用来检测传感器的故障: 当两个传感器的特性相同时，只要Vd不为零, 就表明某个传感器有故障。而实际应用中，两个位移传感器的特性不可能完全一致，因此须设定一个允许的误差容限Vtol, 如果两个传感器的差值信号满足如下关系式 则可确定两个传感器没有故障。,基于傅里叶变换的传感器的故障诊断 控制器的输出信号和传感器干扰信号及转子干扰力之间的关系为： 控制器的输出信号包含两部分，一部分和传感器故障有关，一部分和转子所受干扰力有关。令 当传感器1失效时有,当传感器2失效时,综上结论得：,其中n=1,2分别对应传感器1故障和传感器2故障。 因此可以通过Ucs和Vd的相位关系就可以确定发生故障的传感器。通过比例系数的正负来判断哪个传感器发生故障。,3.3 转子系统的故障诊断,（1）.当转子处于磁悬浮状态但不旋转时 采用振动与测试系统进行振动测试，并采用自身的加速度传感器测试转子处于悬浮状态但不旋转时的振动规律。根据转子的三个独立方向的振动频率和幅值并不相同，但没有明显差异这个结论，当测试结果得出的振动特性与上述结论不同时，即为转子出现故障。,磁悬浮转子实物图,（2）.当转子旋转时的故障诊断 转子高速旋转时比不旋转时更剧烈的振动，不近转子会振动，定子也会振动。在正常情况下，定子和转子的振动特性 都是相对稳定的，如果定子的振动频率和幅值大声明显的变化，可作为故障诊断的依据。通过利用阶次分析，测试不同转速下定子和转子的振动频率和幅值，得出频率、幅值和阶次的关系，得出振动的固有频率，区分振动产生的根源，进行故障定位。,电磁轴承的性能指标,800000r/min,静态品质指标和动态品质指标,4.电磁轴承的应用,结合电磁轴承的优缺点，电磁轴承已经广泛应用于诸多领域，如超高速列车、超高速离心机、水轮发电机、空间飞行器的角动量飞轮、流量计、密度计、功率表、真空泵、精密稳流器和陀螺仪（利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。）等。,4.1 磁悬浮列车 原理：磁悬浮列车利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶.,4.2 高速精密机床,配有数控式磁轴承的铣床