（机械电子工程专业论文）永磁偏置混合磁悬浮轴承结构设计及控制方法研究.pdf

硕 j 学伊沦文摘要随着现代工业的发展，对旋转机械的性能提出了各种越来越苛刻要求。在能源动力机械与化工机械中，要求转子的旋转速度和精度越来越高、转子与定子间的间隙越小越好以追求更高的效率。而对另一些工作在极端高温或低温环境下的军工、航空航天领域的旋转机械来说，除了要求能够承受严酷的环境考验之外，对于支撑的可控性，安全及可靠性的考虑往往是第一位的。因此具有较高转速、摩擦功耗小、无需润滑以及可控性等诸多优点的磁悬浮轴承日益成为科技领域和企业界关注的热点课题项目之一。高性能电磁轴承是涉及机械学、电磁学、电子学、转子动力学、控制工程和计算机科学等多学科的综合性高技术系统工程。目前，电磁轴承的研究基本上都是对电气部分的研究，对机械部分的相关研究很少。目前国内外对电磁轴承的研究工作，多数集中在对电气部分的优化设计，而对机械部分的研究工作相对较少。本文针对电磁轴承的主体一机械部分的结构与磁学特性进行了较为深入的研究。根据现代电磁轴承系统所存在的结构问题，提出了一种永磁偏置混合磁悬浮轴承( h m b ) ，即把用永久磁铁产生的磁场取代主动磁悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，而采用电磁铁作为电磁轴承的调节装置。本文主要研究内容如下：( 1 ) 针对目前电磁轴承中存在的问题，提出了利用永久磁铁提供偏置磁场、电磁铁提供控制磁场的混合式主动磁悬浮轴承系统。在原有磁悬浮轴承结构的基础上，设计了一利一新型的磁悬浮轴承结构。通过结构优化，将径向电磁轴承与轴向电磁轴承做成一体，有效的地提高了磁悬浮轴承的产品性能。( 2 ) 介绍了永磁偏置混合磁轴承的结构及其工作原理，在此基础上，建立了该磁轴承的等效磁路模型，并采用叠加原理对其磁路进行了分析计算，推导了该磁轴承的承载力计算表达式。并介绍了永磁铁的设计与选择方法以及永磁铁的工作特性。( 3 ) 利用电磁有限元仿真软件a n s o f t 中的m a x w e l l ，2 d 对电磁轴承进行了二维涡流场的计算，得到了只有永磁铁时以及加载电流后的电磁轴承的磁场强度、磁感应强度等参数的分布情况，为电磁轴承的设计提供了参考。通过对叠片转予的进行有限元分析发现采用叠片转子比采用实心转予功耗小，涡流损失小，因此叠片转予具有优越性，设计可行。( 4 ) 分析了混合电磁轴承的力耦合和运动耦合现象，得出了转子在不同角度时，径向悬浮力沿圆周方向的分布情况，径向悬浮力与轴向悬浮力的力耦合永磁偏置混合磁恳浮轴承结构设计及控制方法研究分布以及电磁轴承的电流与悬浮力之间的关系。( 5 ) 介绍了磁悬浮轴承系统结构和系统参数，通过对机械结构的分析得出单自由度和五自由度转子的数学模型，为控制系统设计提供理论依据。电磁轴承支承的轴承系统本身是不稳定的，必须通过对其进行反馈控制才能实现转子稳定的悬浮。针对混合电磁轴承控制系统结构特点，对原有的传统p i d 控制方法进行了改进，形成非线性补偿p i d 控制与基于遗传算法的p i d 控制方法，并对三种控制方法进行了比较研究。( 6 ) 对系统的控制器进行了设计，利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 模块库对所设计的p i d 控制参数进行了整定调试。利用设计的p i d 控制器、非线性补偿p i d控制器以及基于遗传算法的p i d 控制器对系统阶跃响应、轴承起伏过程以及负载变化时的电流波形情况进行了仿真比较，发现非线性补偿p i d 控制器以及基于遗传算法的p i d 控制器，对电磁轴承的控制效果较好。关键词：永磁偏置混合磁悬浮轴承；结构设计；二维涡流场；耦合特性；非线性p i d 控制；遗传算法h硕士等何论文a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y , av a r i e t yo fd e m a n d i n gp e r f b r m a n c er e q m r e m e n t sofr o t a t i n gm a c h i n e r ya r ep u t t e df o r w a r d i nt h ee n e r g ya n dc h e m i c a lm a c h i n e r y , t h er o t a t i o ns p e e da n da c c u r a c yr e q u i r eo ft h er o t o ra r ee v e rg r o w i n g ，a n dt h eg a po ft h er o t o ra n ds t a t o ra ss m a l la sp o s s i b l ei np u r s u i to fg r e a t e re f f i c i e n c y ；w h i l eo t h e r sw o r ki ne x t r e m eh o to rc o l de n v i r o n m e n t so ft h ew a ri n d u s t r ya n da e r o s p a c ef i e l do fr o t a t i n gm a c h i n e r y , i na d d i t i o nr e q u i r e st h ew i t h s t a n dt h eh a r s he n v i r o n m e n tt e s t ，t h es u p p o r tc o n t r o l l a b i l i t y , s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t ya r eo f t e nf i r s tc o n s i d e r e d t h e r e f o r e ，t h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e e d ，f r i c t i o np o w e rc o n s u m p t i o n ，a n dn ol u b r i c a t i o na n dc o n t r o l l a b i l i t yo fm a g n e t i cb e a r i n g sw h i c hh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yo n eo fh o tt o p i c so ft h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lf i e l d sa n dt h eb u s i n e s sc o m m u n i t yc o n c e r n h i g h 。p e r f o r m a n c em a g n e t i cb e a r i n g si sac o m p r e h e n s i v eh i g h t e c he n g i n e e r i n g ，w h i c hi n v o l v e di nm e c h a n i c s ，e l e c t r o m a g n e t i c s ，e l e c t r o n i c s ，r o t o rd y n a m i c s ，c o n t r o le n g i n e e r i n ga n dc o m p u t e rs c i e n c ea n do t h e rs u b j e c t s a tp r e s e n t ，t h em a g n e t i cb e a r i n g sa r eb a s i c a l l yt h es t u d yo nt h ee l e c t r i c a l ，w h i l et h em e c h a n i c a lp a r t sa r ev e r yf e ws t u d i e d i nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fm e c h a n i c a lp a r t so fm a g n e t i cb e a r i n g sw e r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ee x i s t e n tp r o b l e m so fm o d e r nm a g n e t i cb e a r i n gs y s t e m ，t h ep e r m a n e n tm a g n e tb i a s e dh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n gw e r ed e s i g n e db yt h em a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e df o rp e r m a n e n tm a g n e t st or e pl a c et h es t a t i cb i a sm a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e df o re l e c t r o m a g n e t s w h i l et h eu s eo fe l e c t r o m a g n e t sa sar e g u l a t i o nd e v i c eo fm a g n e t i cb e a r i n g t h ep r i m a r yc o n t e n t sa n do r i g i n a lc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) i nv i e wo ft h ep r o b l e m so fm a g n e t i cb e a r i n g ah y b r i da c t i v em a g n e t i cb e a r i n gs y s t e mi sp r o p o s e db yap e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t es t a t i cb i a sm a g n e t i cf i e l da n de l e c t r o m a g n e t sp r o v i d et h ec o n t r o lm a g n e t i cf i e l d t h en e wt y p es t r u c t u r eofm a g n e t i cb e a r i n gi sd e s i g n e dw h i c hi sb a s e do nt h eo r i g i n a ls t r u c t u r e t h er a d i a lm a g n e t i cb e a r i n g sa n da x i a lm a g n e t i cb e a r i n g sa r em a d ei n t oa no r g a n i cw h o l eb yt h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，w h i c hm a k et h em a g n e t i cb e a r i n gp e r f o r m a n c ei m p r o v es i g n i f i c a n t l y ( 2 ) t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep e r m a n e n tm a g n e tb i a s e dh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n ga r ei n t r o d u c e d o nt h i sb a s i s ，t h ee q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tm o d e lo ft h em a g n e t i cb e a r i n g si se s t a b l i s h e d ，a n dm a g n e t i cc i r c u i ti sa n a l y z e db ys u p e r p o s i t i o np r i n c i p l ea sw e l la st h el o a dc a p a c i t ye x p r e s s i o no ft h e1 1 1永磁偏胃混合磁恳 7 轴乐结构优化及拧制，t 上研究m a g n e t i cb e a r i n g sw a sd e d u c e d t h ed e s i g nm e t h o da n dt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp e r m a n e n tm a g n e ta r ei n t r o d u c e d ( 3 ) u s i n ga n s of ts of t w a r e sm a x w e l l2 de d d yc u r r e n ts ol v e ra n de d d ya x i a lm a g n e t i cf i e l ds o l v e rt os o l v et h ec a l c u l a t i o n0ft w o - - d i m e n s i o n a le d d yc u r r e n tf i e l df o rt h em a g n e t i cb e a r i n g ，m a g n e t i cd e n s i t y ，m a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n do t h e rp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e dw h e no n l yp e r m a n e n tm a g n e ta n dt h el o a dc u r r e n t ，w h i c hp r o v i d e dr e f e r e n c ef o rd e s i g nofe l e c t r o m a g n e t i cb e a r i n g i ta l s os h o w st h eu s eofl a m i n a t e dr o t o rp o w e rt h a nu s i n gas m a l ls o l i dr o t o r ，e d d yc u r r e n tl o s si ss m a l l ，s ot h es u p e r i o r i t yo ft h er o t o rl a m i n a t i o nd e s i g nf e a s i b l e ( 4 ) t h ef o r c ec o u p l i n ga n dm o t i o nc o u p l i n gofh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n ga r ea n a l y z e d ，w h i c ho b t a i n e dt h ed i s t r i b u t i o no fr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c ea l o n gt h ec i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o na td i f f e r e n tr o t o ra n g l e sa n dt h ed i s t r i b u t i o noff o r c ec o u p l i n go fr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c ea n da x i a ls u s p e n s i o nf o r c e ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i poft h ec u r r e n ta n dt h es u s p e n s i o nf o r c e ( 5 ) t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n ds y s t e mp a r a m e t e r so fm a g n e t i cb e a r i n ga r ed e s c r i b e da n dt h em a t h e m a t i c a lm od e lofas i n g l ef r e e d o md e g r e ea n df i v ef r e e d o md e g r e e so fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea r ea n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d et h eb a s i sf o rc o n t r o ls y s t e md e s i g n t h es u p p o r t i n gs y s t e mi t s e l fo fm a g n e t i cb e a r i n g si su n s t a b l e ，i ti sn e c e s s a r yt oa c h i e v er o t o rs t a b i l i ts u s p e n s i o nb yf e e d b a c kc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o ls y s t e mo fh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ，p i dc o n t r o lm e t h o dh a sb e e ni m p r o v e db yan o n l i n e a rc o m p e n s a t i o np i dc o n t r o la n dp i dc o n t r o lb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m sm e t h o d ，a n dac o m p a r a t i v es t u d yi sc a r r i e do u tf o rt h e m ( 6 ) d e s i g n e dc o n t r o l l e ro ft h es y s t e m ，s e l e c t e dp i dc o n t r o lo fam o d e r ni n d u s t r i a lc o n t r o lo ft h em o s tc o m m o n l yu s e df o r m 。a n du s e dm a t l a b ss i m u l i n kb l o c k s e tt oa d j u s tp i dc o n t r o lp a r a m e t e r s b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt ot h es t e pr e s p o n s e ，b e a r i n gr o l l i n gp r o c e s sa n dc u r r e n tw a v e f o r mw h e nt h el o a dc h a n g eb yt h eu s eo fd e s i g no fp i dc o n t r o l l e r ，n o n l i n e a rc o m p e n s a t i o np i dc o n t r o l l e ra n dt h ep i dc o n t r o l l e rb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m s k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tb i a s e dh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ；s t r u c t u r ed e s i g n ；t w o d i m e n s i o n a le d d yc u r r e n tf i e l d ；c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c ；n o n l i n e a rc o m p e n s a t i o np i dc o n t r o l ；g e n e t i ca l g o r i t h m i v硕+ 学位论文插图索引图1 1 威廉姆斯电驱k e r s 系统5图1 2f l y b i r d 公司飞轮动能回收系统5图1 3a t h m 系列磁悬浮涡轮分子泵6图1 4 压缩机上的可倾瓦磁悬浮轴承6图1 5u b c 公司磁悬浮转子系统部件7图1 6 五轴定位双端磁悬浮轴承系统7图1 7 传统磁悬浮轴承系统与新型磁悬浮轴承系统比较7图2 1 传统永磁偏置磁轴承结构9图2 2 永磁偏置径向轴向磁轴承结构1 0图2 3 永磁偏置径向一轴向磁轴承结构示意图一1 l图2 4 永磁偏置混合电磁轴承三维结构1 2图2 5 电磁轴承的径向与轴向控制线圈1 2图2 6 永久磁铁的磁滞回线和起始磁化曲线图1 3图2 7 永磁材料的磁导率1 4图2 8 去磁曲线和磁能积曲线1 5图2 9 混合电磁轴承的磁路图1 8图2 1o 径向轴向磁轴承等效磁路图1 9图3 1 涡流产生示意图_ 2 4图3 2 涡流问题示意图2 5图3 32 d 涡流场求解流程2 7图3 4 边界条件示意图2 8图3 5 径向网格划分3 0图图图图混合磁轴承的径向磁力线分布31混合磁轴承的径向磁感应强度分布3 2混合磁轴承的径向磁场强度分布3 2轴向网格划分3 2图3 1 0 混合磁轴承的轴向磁力线分布3 2图3 1 1 混合磁轴承的轴向磁感应强度分布。3 3图3 12 混合磁轴承的轴向磁场强度分布3 3图3 13 混合电磁轴承的轴向结构与尺寸图3 3图3 1 4 电磁涡流密度分布图3 5图3 1 5 叠片转子示意型图3 6图3 16 叠片转子求解区域示意图3 6v永磁偏置混合磁悬浮轴承结构设计及控制方法研究图3 172 d 几何模型3 6图3 18 网格划分3 6图3 1 9 磁场强度h 分布云图3 7图3 2 0 电流密度j 分布云图3 7图4 1 转子与定子处在偏心下的几何关系3 9图4 2 磁悬浮转子系统径向磁力轴承内悬浮力分布图4 1图4 3 足x ，凡，在0 2 冗之间的图形4 2图4 4r ，凡x 在0 2 兀之间的图形4 2图4 5 电磁轴承的轴向工作原理4 2图4 6 磁路选择4 2图4 7 足与z 和x 之间的关系4 5图4 8 疋与z 和y 之间的关系4 6图4 9f x 与和i y 之间的关系4 6图4 1 0 疋与艺和以之间的关系4 7图4 1 l 疋与屯和工之间的关系4 7图5 1 电磁轴承控制系统硬件结构框图4 9图5 2 单自由度磁悬浮轴承系统5 0图5 3 主动磁悬浮轴承转子受力图5 3图5 4 标准p i d 控制器结构框图5 8图5 5 非线性p 控制_ 5 9图5 6 非线性i 控制6 0图5 7 传统d 控制与非线性d 控制的比较6 1图5 8 基于遗传算法参数优化的p i d 控制系统框图6 2图5 9 基于遗传算法的p i d 参数优化流程图6 2图6图6图6图6闭环控制系统结构6 4系统闭环传递框图( 电流控制) 6 6系统闭环传递框图( 电压控制) 6 6为系统在传统p i d 控制算法下的仿真结构框图6 8图6 5 为系统在非线性p id 控制算法下的仿真结构框图6 9图6 6 为系统基于遗传算法的p i d 控制下的结构框图6 9图6 7 传统p i d 控制阶跃响应6 9图6 8 非线性补偿p i d 控制阶跃响应7 0图6 9 基于遗传算法的p i d 控制阶跃响应7 0图6 1 0 传统p i d 控制起浮仿真波形7 1图6 1 1 非线性p i d 控制起浮仿真波形7 1v i硕士学何沦文图6 1 2 基于遗传算法的p i d 控制起浮仿真波形7 l图6 1 3 传统p i d 控制起浮仿真波形7 2图6 1 4 非线性p i d 控制起浮仿真波形7 3图6 1 5 基于遗传算法的p i d 控制起浮仿真波形7 3永磁偏胃混合磁悬 千轴承结构优化及拧制玎法研究附表索引表3 1 实验参数3 0表6 1 磁悬浮轴承的系统结构参数6 8兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：i 如日期：工7 年，z 廓日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密团。( 请在以上相应方框内打“ )作者签名：豆毳日期：二口叩年明奄日导师签名矽：彳钠堋粕，硕十学位沦文第1 章绪论电磁轴承是使用电磁力使转子悬浮，实现无机械接触的新型机电一体化轴承。由于其转子和定子之间没有任何机械接触，故无磨损，大大地降低了机械能耗和噪音，无需润滑，无油污染，使用寿命长，特别适合于高速、真空超净等特殊环境，具有普通轴承所无法比拟的优越性【1 儿2 1 。根据产生磁场方式的不同可分为被动磁轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ) 和主动磁轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ) 。在被动磁轴承中，磁场是不可控的，其磁力由永久磁铁或者恒定直流电场作用下的软磁材料提供。而在主动磁轴承中，磁场是可控的，通过检测被悬浮转子的运动状态，由控制系统对磁场进行主动控制，从而使转子的运动满足预定的要求。其磁力可全部由电磁铁提供，也可以永久磁铁和电磁铁共同提供【3 】【4 1 。永磁混合磁悬浮轴承是利用永久磁铁产生的磁场取代电磁铁的静态偏置磁场，这不仅可以显著降低功率放大器的功耗，而且可以使电磁铁的安匝数减小一半，缩小磁悬浮轴承的体积，提高承载能力等。结合可控磁场力提供无接触支承使转子稳定悬浮于空间且其动力学性能可由控制系统调节的一种新型高性能轴承，是集机械学、电磁学、电子学、转子动力学、控制工程和计算机科学于一体的最具代表性的机电一体化产品，是目前最具潜力的控制型支承装置，将作为滚动轴承、滑动轴承和空气轴承等传统机械轴承的更新换代产品，成为2 1 世纪最有发展前途的主导轴承【5 】【6 】【7 1 。1 1 选题的背景与意义1 1 1 研究背景利用磁力使物体处于无接触悬浮状态是人类一个古老的梦想，人们试图采用永久磁铁实现物体的稳定悬浮，均未成功。直到18 4 0 年英国剑桥大学的恩休( s e a m s h a w ) 教授从理论上证明了单靠永久磁铁是不能使物体在空间六个自由度上都保持稳定悬浮的1 8 】。唯有采用抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁结构与相应的磁场分布而实现稳定。19 5 7 年法国h i s p a n o s u i z a 公司第一个提出了利用电磁铁和感应传感器组成主动( 有源) 伞悬浮系统的设想，并取得了法国专利( f r e n c hp a t e n t ll8 6 5 2 7 ，n o v e m b e r ，19 5 7 ) ，这是现代磁悬浮技术的开始9 】【10 1 。然而，由于控制理论、控制元件、控制电路等方面的问题没有解决。早期的磁悬浮研究主要侧重于无源( 被动) 悬浮，英国科学仪器研究协会出版的论文集，集中地反映了19 6 4 年以永磁偏置混合磁恳浮轴7 ；= 结构优化及控制方法研究前的研究成果。而麻省理工学院出版的文献则总结了在l9 7 4 年以前的研究。由于无源悬浮刚度小、阻尼差，使其主要应用于仪器仪表，无法应用于大负载、高刚度的主轴部件【1 1 儿1 2 】。6 0 年代中期，随着控制元器件的不断发展和完善，法国、日本、美国相继对主动磁悬浮投入了研究。19 6 9 年法国s e p 公司开始研究主动磁悬浮系统的特性，19 7 2 年将第一个磁力轴承应用于卫星导向器飞轮支承。与此同时，美国n a s a 系统也投入了大量的人力物力来开发应用于卫星飞轮上的主动和被动磁悬浮轴承。在日本，森美郎、金子礼三等在19 6 5 年、1 9 6 8 年分别发表了“可控磁力轴承的基础研究的第一报告与第二报告”的论文【1 3 儿1 4 】，提出了磁力轴承线性化理论，并建立了采用一个电磁铁的主动控制磁力轴承数学模型，为单自由度控制的磁力轴承研究奠定了基础。从7 0 年代末到8 0 年代初，随着现代控制理论的发展，电子元器件技术的日趋完善，人们逐步开始将主动磁力轴承推广应用到工业设备中，相应的控制方法也从单自由度控制( 古典控制理论) 发展到多自由度控制( 现代控制理论) 。作为磁力轴承发展的代表，法国s 2 m 公司全面介绍了主动磁力轴承的工作原理、性能以及s 2 m公司的应用情况，但没有给出设计理论和设计方法。1 9 8 1 年，日本的松村文夫等人采用现代控制理论，建立了多输入多输出的径向磁力轴承数学模型。这一时期研究的主要特点是：将转子作为刚体处理，忽略陀螺效应的影响【儿m 】。尽管建立了多输入多输出的数学模型，控制系统还是采用单自由度控制，即忽略各自由度之间的耦合；商业化的磁力轴承控制系统均为模拟控制。在国内，l9 8 2年清华大学的张祖明、温诗铸就小钢球的单自由度磁悬浮进行了理论分析和试验研究。l9 8 3 年上海微电机研究所采用径向被动、轴向主动的混合型磁悬浮研制了我国第一台全悬浮磁力轴承样机。这些研究由于模型简单、刚度小、负载低，离工业应用还有很大距离【2 】。19 8 8 年哈尔滨工业大学的陈易新等提出了磁力轴承结构优化设计理论和方法，建立了主动磁力轴承机床主轴控制系统数学模型，这是国内首次对主动磁力轴承全悬浮机床主轴从结构到控制进行的系统研究。同年，国防科技大学的杨泉林采用状态反馈原理探讨了磁悬浮控制的多自由度解耦问题。然而，国内的研究从整体上来说还处在理论研究的初级阶段，没有成功的应用实例【1 6 】【1 7 1 。与此同时，国际上磁悬浮技术却达到了理论研究的高峰。19 8 8 年6 月，在瑞士苏黎士召开了第一届国际磁力轴承学术会议。会议就磁力轴承在窄间技术、物理学、机器人、机床、真窄泵等方面的理论研究与工业应用进行了广泛的交流。会议商定以后每两年召开一次国际磁力轴承学术交流会。19 9 0 年7月在日本东京大学召开了第二届国际磁力轴承学术会议与第一次会议相比，这次会议涉及的应用范围更广、参加的国家更多。到目前为止，已召开了八次国际会议，将磁力轴承的理论研究与工业应用推向高潮。进入9 0 年代，随着机硕十学位沦文械向高速度、高精度发展，将转子作为刚体来处理无法满足精度要求，磁悬浮控制开始转向柔性转子的控制。19 9 0 年瑞士联邦理工学院提出了柔性转予研究的问题，日本千叶工业大学进行了柔性转子的研究，将转子进行离散化，建立磁悬浮系统的状态方程，从而进行磁悬浮控制系统的设计，这使得磁力轴承的控制系统越来越复杂。因此，采用滑模控制、模糊控制、非线性控制等先进控制理论进行磁悬浮研究的越来越多【1 9 】f 2 们。19 9 4 年发表的文献总结了几种典型控制规律的特点，在静态特性、响应速度、鲁棒性、抗干扰、刚度等5 个指标上比较了各种控制规律的优缺点，并指出了各种控制规律的应用特征。9 0 年代计算机技术得到飞速发展，计算机的性能价格比越来越高，为磁力轴承采用计算机数字控制提供了可能。1 9 9 0 年g s c h w e i t z e r 教授在文献中提出了数字控制问题，1 9 9 6 年在日本召开的第五届国际磁力轴承学术研讨会上，将数控磁力轴承作为一个专题来研究。2 0 0 5 年召开了第一届中国电磁轴承学术会议，标志着我国电磁轴承的研究，进入了崭新的阶段。目前，磁悬浮轴承的发展将主要集中在以下几个方面【2 1 儿2 2 】：( 1 ) 超导磁浮轴承：这种轴承的体积很小，但却有很大的承载能力。但是，这方面的研究进展在很大程度上依赖于高温超导材料的发展，近几年很难有大的突破。( 2 ) 自检测磁浮轴承：传统的磁浮轴承需要传感器来检测信号，由于传感器的存在，使轴承的轴向尺寸变大，系统的动态性能降低，而且成本高，可靠性低。而自检测磁浮轴承，不需要位移传感器，可以简化结构并降低制造成本，在工业上具有很广阔的应用前景。( 3 ) 电磁和永磁混合的磁浮轴承：这种轴承主要是由永久磁铁产生的磁场取代电磁铁偏磁电流产生的磁场，以减轻磁浮轴承定子、功率放大器的体积和重量，在航空发动机上有很好的应用前景。( 4 ) 基于全局的优化设计：除了要让磁浮轴承自身以及转子系统满足相应的机械要求外，还应从系统的角度考虑磁浮轴承的稳定性、可靠性和经济性，以便为磁浮轴承的产品化创造一个更广阔的应用前景。( 5 ) 采用各种先进的控制器和功率放大器：为了达到更高的性能要求，控制环节在磁浮轴承系统中扮演的角色越来越重要，控制器的数字化、集成化和计算机化使磁浮轴承的硬件系统趋于结构化、模块化，这有利于它的标准化、系列化和商品化。而相应发展的软件越来越多地采用基于现代控制理论来达到各种控制算法，如滑模控制、非线性模糊控制、自适应控制和日控制、控制等，使它更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向发展。功率放大器趋向于采用效率高的开关功放等来取代连续功放。( 6 ) 磁悬浮轴承的推广应用：因为磁浮轴承尚处于发展阶段，用户还不具永磁偏鼹混合磁恳 乎轴承结构优化及拧制厅法研究备设计磁浮轴承的基本知识，因此研究人员一直追求磁浮轴承在工业设备上地应用这个目标。而且，应用和研究是相辅相成地，通过推广应用，也可不断提高磁浮轴承的研究水平。1 1 2 研究现状随着现代工业的发展，对旋转机械提出了各种越来越苛刻的性能要求。在能源动力机械与化工机械中，要求转子的旋转速度和精度越来越高。而对另一些工作在极端高温或低温环境下的军工、航空航天领域的旋转机械来说，除了要求能够承受严酷的环境考验之外，对于支撑的可控性、安全性及可靠性的考虑往往是第一位的。与其它机械相比，旋转机械的最大特点在于：转子运动始终被约束在间隙比极小的空间内1 2 3 1 。这种间隙比，对于传统的油润滑轴承来说，大致在1 10 0 0 5 10 0 0 范围内。由于转子在运行中所受到的各种激励作用，这种小间隙约束是很容易遭到破坏的，这也是支撑技术成为制约高性能旋转机械迸一步发展的关键技术的原因1 2 4 1 。对于新一代支撑技术性能指标的要求大致可以概括为：( 1 ) 高转速：从每分钟数十转到数十万转；( 2 ) 高精度；( 3 ) 可控性；( 4 )对于各种严酷环境的适应性；( 5 ) 可靠性，等等。迄今为止，能够同时满足上述要求、可投入实际工程应用的支撑技术当首推主动控制的磁轴承。磁轴承是利用磁力实现无接触的新型轴承，具有许多传统轴承所不具备的优点 z l ：( 1 ) 可以达到较高的转速。从理论上讲，磁轴承支撑的转子最高速度只受到转子材料限制。( 2 ) 由于正常运转时无接触，摩擦功耗较小。( 3 ) 由于磁轴承依靠磁场力悬浮转子，在相对运动表面无接触、没有由磨损和接触疲劳所带来的寿命问题。( 4 ) 不需要润滑，不存在润滑剂对环境所造成的污染问题，同时在真空、辐射和禁止使用润滑剂和禁止污染的场合，磁轴承有着无可比拟的优势。( 5 ) 对极端高温、极端低温运行环境都具有很好的适应性。( 6 ) 可控性好。磁轴承的静态及动态性能都是可控的。电磁轴承是由机械部件诸如定、转子等，结合电子元件传感器、功率放大器和控制器构成的。作为一种典型的机械电子产品，磁轴承包括机械、电气和控制软件三大部分。其中，软件届得越来越重要，因为它决定了磁轴承产品的“智能”。由于能方便地买到集成化程度不断提高的电了元件，在解决机械动力学领域内由传统的轴承引起的问题时，磁轴承越来越具有吸引力。磁轴承可应用于如下领域：真空技术、机床、透平机械等。这些领域内磁轴承的优越性在于不存在接触，从而为人们提供了采用新颖结构、无机械磨损运行、减少维颈十学位论文修以及对转r 的动力学仃为可实现高速f 的主动振动拧制的可能特别适合l 岛速、真窄、超净等特殊应川场合。特别对于机械和电气工程方面的专家而言，希望在邢衅以处理能量转换为主的传统机械及电气产品巾，通过引入信息及计算机科学qr 的相关技术进而开发新一代机械电子产品。目前围外主要应用于咀下几个方面：( 1 ) 在军事工业巾的应川磁力轴承在这方面的心用既是最早的也是最成熟的。从上个世纪6 0 年代开始美国麻省理工学院德雷伯实验审就成功地进行了这方面的研究，主要研究对象是飞机、潜艇、导弹和航天飞行器制导系统中元件的磁悬浮。其应用包括坦克的控制、机动导弹发射装置运载工其的定位，火炮、坦克、导弹的发射控制系统，以及潜艇、飞机、火箭制导等。例如美国国防部为研发新型复合电力战车设立的复合动力战车系统( g h p s ) 项目。在低轨道卫星应用巾，航宅器主要动力源足由光电转换器来提供电源。电源储存的能量( 在6 0 分钟太阳光照射时) 能够满足3 0 分钟无a 阳照射时处在黑暗t l 的应用。因此要求飞轮能量储存系统，也称为飞轮电池其转速为2 0 0 0 0 r p m ，储存能量l5 9 w h ，动量距5 48 n m s 解决了该问题”】。此后，多伦多大学德克萨斯a & m 大学，n a s a 等研究机构在此方面进行了深入的研究。图1l 为伯明翰车展上的应用了磁负载复合的威臁姆斯电驱k e r s 系统。从航天领域的应用开始，飞轮电池存其他应用领域的研究也随之展扦。经过近衅年的发展，现在e 轮储施的技术已经比较成熟，而且正在不断飞速发展，r _ | 1 。它具有良好的性能和卅1 对比较理想的性能价格比，而越来越多地应用于各利一场合已经成为近几年储能设备心用研究的主要对象，而且必将逐步占领更大的储能设备市场。圈i2 为f l y b i r d 公司研发的具有结构紧凑总重仅有2 4 公斤的飞轮动能回收系统实物图。圄l 】威廉姆斯电驱k e r s 系统围i2f l y b i r d 公司飞轮动能回收系统( 2 ) 在真空和超净环境t l 的应用近儿年来，由f 半导体、光学镀膜、离了蚀剡和液晶娃耶器件等应片j 领域迅速发展其质量要求越米越高。过去常川的有汕污染的真宁系统难以保证制0水磁偏置混台磁悬浮轴承结构优化驶控制州协 究各这些材料的纯度和质量，有逐渐被淘汰的趋势。这种系统已经被无油污染的干式清洁真卒泵取代。由于磁力轴承不存在机械磨损，不需润滑不引起环境污染，必要时甚至可以使磁力透过容器壁发生作用而将轴承安排在真空容器外面。因此，磁力轴承真空泵成为目前磁悬浮技术最大的工业应用领域。仅日本精工精机公司出口到美国的轴承磁力真空泵一年就价值8 亿美元。目前，国内阿尔卡特公司生产的a t h m 系列磁悬浮涡轮分子泵优势明显，如图13 所示。图1 4 为用于压缩机上的可倾瓦磁悬浮轴承。 圆圈l3a t h m 系列磁悬浮涡轮分子泵图14 压缩机上的可倾瓦磁悬浮轴承f 3 ) 在机床上的应用主要用于超高速铣削、磨削机床。超高速加工一直是机械切削加工的一个发展方向。空气轴承因转子和轴承没有机械接触，使主轴获得高的线速度。但其致命的弱点是支承刚度低、阻尼差、承载能力小，不能满足高速机床主轴承载方面的要求。而磁力轴承允许在更高线速度的情况下- 仪器高刚度、大负载和良好的减振性弥补了窄气轴承的不足。在超高速磨削方面，德国k a p p 机床制造厂采用了法国s 2 m 公司提供的磁悬浮电主轴b 1 5 1 0 0 0 型进行超高速磨削，采用c b n 砂轮，切削速度高达3 0 0 m s ，满功率1 5 k w 。图1 5 为美国u b c公司制造的磁悬浮转予系统部件。图16 为l f d 公司制造的五轴定位双端磁悬浮轴承系统。鎏图15u b c 公司磁悬浮转于系统部件图16 五轴定位双端磁悬浮轴承系统( 4 ) 在其他领域的应用磁力轴承在其他领域的应用包括磁力轴承空气压缩机。磁悬浮高速电机，磁悬浮直线轴承，磁悬浮人工心脏泵，磁悬浮硬盘驱动器，以及磁悬浮光盘驱动器等。1 1 3 研究意义本文研究一种新颖的永磁偏置径向轴向磁轴承，该磁轴承将径向和轴向磁轴承的功能集于一体。这样一来，五自由度磁轴承的磁轴承从三个减为两个，去掉一个独立的轴向磁轴承，使整个系统得以简化，减小了系统体积和轴向和轴向长度，从而可以提高转子的临界转速同时降低了磁轴承的功耗。采用永磁偏置径向轴向磁轴承和永磁偏置径向磁轴承的新型五自由度磁轴承系统如图17 所示2 5 1 2 ”。从图中可以看出大大算断了转子的轴向长度，使得整个系统的结构大大简化。更为重要的是，这种新型结构的径向轴向磁轴承还具有固定的径向、轴向磁场解耦功能。在此基础上就可以应用独立控制方法来实现磁轴承系统各自由度的悬浮控制，通过系统集成实现整个转子的整体悬浮。轴向磷轴承船自电磁轴承( a ) 传统磁悬浮轴承系统( b ) 新型磁悬浮轴承系统图i7 传统磁悬浮轴承系统与新型磁悬浮轴承系统比较本文将永磁铁装入电磁轴承中，利用永磁铁产生的磁场取代电磁轴承中的偏置线圈产生的磁场，将电磁轴承的双线圈结构简化为单线圈形式，极大地降低了稳态功耗，使轴承结构更加紧凑，体积减小。在永磁电磁轴承中，永磁力可以单独实现转子某方向的