（机械电子工程专业论文）管绞机磁力支承结构设计和控制的研究.pdf

管绞机磁力支承结构设计和控制的研究 摘要 由于电磁力效应对比机械力效应具有无磨损、无噪声、少污染等优点，将 电磁学引入到传统机械结构领域来一直是众多研究人员努力的方向。本文针对 管绞机的具体情况，对其磁力支承结构和控制部分迸行了研究。文章分析了绞 体主轴的超静定问题，计算出需要的磁力大小；给出了磁力支承系统设计的流程 图；讨论了定子电磁铁各个参数的选择和设计，给出了电磁铁和支架的实际选 用参数；对定予电磁铁电磁场和支架结构进行有限元分析，验证其结果能满足需 要；给出了实际加工生产出的磁力之承系统，推导出稳定的磁力支承系统应该 需要进行闭环控制；给出了p i d 控制器其中各参数的选择范围，并进行仿真， 显示出p i d 控制器对整个系统稳定性的作用和效果。 关键词：电磁铁，支架，电磁场，有限元，p i d 控制 r e s e a r c ho nd e s i g no fm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t r u c t u r ea n dc o n t r o l o f c a b l e - c r e a t i n gm a c h i n e a b s t r a c t b yc o m p a r i s o nw i t ht h ee f f e c to fe l e e t r o n m a g n e t i ea n dm e c h a n i c a lf o r c e s ，t h e l a t t e ro n eh a st h ea d v a n t a g ew i t hn oa b r a s i o n ，n o i s e ，l i t t l ep o l l u t i o n ，e t e l o t so f r e s e a r c h e r sh a v et r i e dt oe m p l o yt h ee l e c t r o n m a g n e t i c si n t ot h et r a d i t i o n a l m e c h a n i c a ls t r u c t u r ef i e l d b yc o n s i d e r i n gt h er e a ls i t u a t i o n so fc a b l e - c r e a t i n g m a c h i n e ，t h em a g n e t i cs u s p e n s i o ns t r u c t u r ea n dc o n t r o lh a v eb e e ng r a d u a l l yd e l v e d i n t o i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er e d u n d a n tq u e s t i o no ft h ep r i n c i p a la x i sh a sb e e n a n a l y z e d ，a n dt h er e q u i r e dm a g n e t i cf o t e e sh a v eb e e nf i g u r e do u t ，t h ef l o w c h a r t f o rd e s i g n i n gt h ew h o l es u s p e n s i o ns t r u c t u r eh a sb e e np r o v i d e d a f t e rt a k i n gi n t o a c c o u n to ft h es e l e c t i o na n dd e s i g no fe v e r yp a r a m e t e ro ft h ee l e c t r o m a g n e t ，t h e r e a ls e l e c t e dp a r a m e t e r so ft h ee l e c t r o m a g n e ta n db r a c k e th a v eb e e np r e s e n t e d t h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fs t a t o re l e c t r o m a g n e ta n ds t r u c t u r eo fb r a c k e th a v eb e e n a n a l y z e dt h r o u g hf e m ，a n dt h er e s u l tr e f l e c t st h a tt h e s et w op a r t sc o u l ds a t i s f yt h e n e e d s t h e nt h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r e dm a g n e t i cs u s p e n s i o ns t r u c t u r eh a sb e e n o f f e r e d i no r d e rt om a k et h em a g n e t i cs u s p e n s i o ns y s t e mt ob es t a b l e ，t h en e e do f c l o s e dl o o pc o n t r o li sd e d u c t e d t h es e l e c t i o nr e g i o n so ft h et h r e ep a r a m e t e r so ft h e p i dc o n t r o l l e ra r ep r o v i d e d ，a n db ys i m u l a t i o nt h ep i dc o n t r o l l e rc o u l dh a v eu s e f u l e f f e c ta n di m p a c to nt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t ，b r a c k e t ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，f e m ，p i dc o n t r o l 插图清单 图卜l 电绞管缆机绞体4 图1 - 2 托辊外形4 图卜3 磁力悬浮支承系统基本结构图5 图2 1 磁力悬浮支承闭环系统工作原理图7 图2 2 托辊支承结构实物图9 图2 3 管绞机主轴力学模型1 0 图2 - 4 管绞机悬浮支承图1 i 图2 - 5 定子电磁铁与安装支架图1 2 图2 - 6 实体模型图1 2 图3 1 磁路图1 5 图3 - 2 磁力支承结构参数设计计算流程图1 8 图3 - 3 管绞机悬浮支承图1 9 图4 一lp d 与p i d 控制对阶跃负载的响应2 8 图4 - 2p i d 控制器的结构图2 8 图4 - 3 电磁支承差动控制系统2 9 图4 - 4p i d 传递函数系统图3 0 图4 - 5s i m u l i n k 中p i b 闭环控制模型3 3 图4 - 6p i d 控制器冲激响应3 4 图5 一l 有限元分析本体程序的流程3 6 图5 2 有限元模型4 0 图5 - 3 网格划分后的离散模型4 l 圈5 - 4 磁力支承的两维有限元分析图4 3 图5 - 5 支架实体图4 5 图5 - 6 支架结构有限元模型4 6 图5 7 支架在垂直方向的变形4 6 图5 - 8 支架的应力云图4 6 图5 - 9 电磁支承代替原刚性支承的绞机外型4 7 致谢 本论文是在导师赵韩教授的指导和关心下完成的。 感谢赵老师在这三年时间内对我在学习、科研工作以及生活各方面的指导 和宽容。赵老师渊博的学识、严谨的治学态度、一丝不苟的科研作风、辛勤的 指导，一方面是我各项任务得以完成的保证，另一方面也是我学习的榜样。导 师宽容和随和的性格，使得我硕士生涯的生活增添了很多愉悦，对我人生处世 态度有很大的启迪。同时感谢师母张辉老师对我无私的关怀和热心的帮助。祝 赵老师和张老师身体健康，万事如意。 感谢机械与汽车工程学院的王勇副教授、黄康副教授、田杰副教授、董玉 德教授、陈楠老师等等。他们让我在多个方面的能力得到了发展。并创造了许 多必要条件和学习机会，给了我许多的帮助。特别感谢王勇老师和黄康老师对 我几年无私的帮助和支持。 感谢朱凌云博士、高先圣博士、李延峰博士、徐林森博士、冯保林博士、 刘琼博士等等，以及已经毕业的钱德锰、汪军、欧贺国师兄，曾文萱、史维芳 师姐等等。 感谢曹亮硕士、袁敏硕士、李露博士、张栋博士、刘达新博士，以及同学 李付军、吕义、陈伟、王建兵、潘斌、程翔宇、陈波、何平等等。因为有他们 的陪伴和帮助，使得我在工大七年的生活变得多姿多彩。 谨以此文献给我的爸爸、妈妈、弟弟。 最后感谢所有给过我支持和帮助的同学朋友。 祝大家一切都好! 余伟 2 0 0 6 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 随着全球人口数量的不断增长以及不可逆转的全球工业化进程，人类面临 着实现经济以及社会可持续发展的双重挑战。环境和高新技术开发已经成为了 解决这种挑战的全球性重要研究内容。磁力支承结构具有无摩擦、使用寿命长、 无接触，无噪声、无需润滑以及高精度等优点，并且被誉为支承史上的革命， 近年来，引起世界各国科学界的特别关注，国内外学者和企业界人士都对其倾注 了极大的兴趣和研究热情。 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想是人类一个古老的梦，在一百 多年前，人类就提出的利用磁场力来对物体进行无接触支承的想法，但由于磁 力悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为 体的多学科问题，受当时认识水平和技术条件的种种限制，一直没有取得很 大的进展。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁 材料的发展和转子动力学的进展，磁力悬浮技术取得了长足的发展，并且为工业 生产和应用提供了可以运用的技术。 高速旋转管绞机是一种绞制铜绞线、铝绞线、钢绞线、钢芯铝绞线及钢丝 绳绞制的设备，是工业电缆生产中运用的主要设备。管绞机筒体一般选用钢管 加工而成，由前后轴承及托辊支承，底座为整体结构，转速高。传统的电缆管 绞机以托辊作为支承元件。管绞机工作后，绞体主轴的旋转运动会给托辊带来 很大的冲击。为了减少托辊的冲击力，并保证绞体运行的稳定性，管绞机的旋 转速度有一定的限制，这样给工业生产带来很大的局限，从面使工业生产效率 也不会太高。为了减少传统电缆管绞机主轴体在旋转速度上的弊端，可以考虑 在实际生产过程中采用磁力支承机构替代传统的托辊，实现磁悬浮支承，达到 提高管绞机的使用寿命和工作效率的双重i i 的。新型的磁力支承系统装置，一 方面在绞机主轴中间两支承点起支承作用，另一方面也克服了机械支承引起的 摩擦系数大，主轴与托辊有冲击、转速较低的缺点。达到减小绞体主轴对磁力 支承系统的冲击振动，提高绞体转速的目的，在实际生产过程中为工厂带来更 大的效益和社会竞争力。 将磁悬浮技术广泛的应用于工业设备和生产，一直是研究人员最终追求的 目标。到目前为止，它主要在三方面得到了广泛应用，并且证明了其优越性“1 。 一是真空超净室技术：轴承不存在任何机械磨损，因而也不会引起相关的污染， 甚至可以使磁场力透过容器壁发生作用而将轴承安排在真空容器外面；二是机 床和旋转机械：主要优点是相对于高承载能力条件下能够保持高精度和高转速： 三是透平机械和离心机：优点是能对振动以控制及阻尼，并获得预定动态性能； 由于没有润滑剂，因此也就不需要密封可进一步简化结构。 1 2 磁力悬浮研究进程和现状 很早以前就有人设想利用永磁体的磁力，把转动或平动的机械部件悬浮起 来，消除固体接触时所产生的摩擦阻力。 1 8 4 2 年，b a r n s h o w 证明：单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有6 个自 由度上都保持在自由稳定的悬浮状态“1 。1 8 6 5 年，英国物理学家j c m a x w e l l 发表了m a x w e l l 电磁场方程组，标志着电磁学理论体系的建立。1 9 3 7 年，德国 k e n p e r 申请了第一个磁悬浮技术专利，他认为要使铁磁体实现稳定的磁悬浮必 须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用可控电磁铁才能实现， 这样就形成新的交通方法的可能，他的实验也就是磁悬浮列车的前身。1 9 3 8 年 k e m p e r 采用一个可控电磁铁对一个重量为1 0 千克的物体成功的实现了稳定的 磁悬浮。这一思想成为之后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。同 一时期，美国的u n i v e r s i t yo fv i r g i n i a 也对磁悬浮理论进行了研究，他们采 用电磁悬浮技术悬浮小球，并通过钢球高速旋转时能承受的离心力来测定试验 材料的强度，测量过程中钢球所达到的最高旋转速度为1 8 1 0 7r m i n 。在这 一转速下，钢球由于离心力的作用而爆裂，他们据此来推算材料的强度极限。 这可能是世界上最早采用磁悬浮技术支撑旋转体的应用实例。到了1 9 3 9 年人们 已经对磁轴承的技术应用表现出实际的兴趣，b r a u n b e k 对此做了迸一步的物理 剖析，称只有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 而实现稳定的悬浮。 伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，2 0 世纪6 0 年代中期，对磁力 悬浮技术的研究进入了一个新的时代。英国、日本和德国分别根据不同的设计 方案研制出了磁悬浮列车的样机。德国1 9 7 7 年研制的磁悬浮列车在其实试验轨 道上的速度高3 6 1 0 5 h 。从1 9 7 0 年起，磁悬浮就已用在卫星姿态控制的动量 飞轮上，法国1 9 7 2 年成功研制出世界上第一套完整的磁悬浮系统并用于通讯卫 星导向飞轮的支承上。美国在1 9 8 3 年搭载于航天飞机上的欧洲空间试验舱里采 用了电磁轴承真空泵。日本1 9 8 6 年用火箭进行的磁悬浮飞轮的空间试验也取得 了圆满的效果。1 9 8 8 年，美国制定的i h p t e t ( i n t e g r a t e dh i g hp e r f o r m a n c e t u r b i n ee n g i n e ) 计划中，其主要内容是研究以应用磁悬浮技术的多电飞机及全 电飞机。欧洲于1 9 9 7 年组成了以英国、德国、法国、奥地利、瑞士为核心的研 究队伍，专门研究磁悬浮为支承的电动机。1 9 9 6 2 0 0 0 年美国空军研制了一套 1 2 5 k w 的组合电源作为辅助和应急电源，其起动发电机就采用了空气冷却的磁 悬浮轴承。美国和日本至今还在进行这方面的研究工作。 在磁力悬浮领域中，应用最为广泛的应该算是磁力轴承。磁力轴承按照磁 场场源，可以分为三种：永磁型、电磁型和永磁电磁混合型。永磁轴承是利用 永磁体产生的磁场力将转轴悬浮起来，它由转动磁环部分( 或者称为动磁环) 和 静止磁环部分( 或者称为静磁环) 组成。利用磁性材料同性相斥和异性相吸的原 2 理，使动磁环悬浮于静磁环之中，保证旋转时候动和静磁环不接触，就可以 很大程度上降低运动时受到的摩擦阻力。由于永磁型轴承受到磁性材料性能以 及悬浮力较小的影响，它的发展一直是比较缓慢。电磁轴承是由机械系统和控 制系统两个子系统组成口】。它的机械系统一般而言是由转子和定子两部分组成， 通常它们都是由铁磁叠片构成。转子叠片装在轴颈上，定子叠片上开有槽，并 缠绕着线圈以提供磁力。与永磁轴承相比，电磁轴承具有大功率、高精度、刚 度阻尼特性可调等优点，所以，电磁轴承具有更为广泛的应用领域和应用前景， 并且受到国际工程界和学术界的普遍重视与广泛关注。一般说来，电磁轴承的 研究内容可分为电磁轴承的结构研究和电磁轴承系统稳定性研究，即控制系统 研究。在国际上，对磁力轴承进行的各种研究工作也非常活跃。1 9 8 8 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。1 9 9 1 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。国际上的这些努力，推动 了磁力轴承在工业上的广泛应用。 国内在磁力支承技术方面的研究起步较晚，研究水平相对日本和德国等其 他西方国家而言比较落后。目前大多数研究还处于实验室及工业实验运行状态， 很少进行批量生产及成功运行于实际工业生产中。国内在这方面的研究源于七 十年代末期，清华大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、南京航空航天大学 等许多单位均作过这方面的研究。在1 9 8 6 年，广州机床研究所与哈尔滨工业大 学对“磁力轴承的开发及其在f m s 中的应用”这一课题进行了研究。目前在电 磁轴承方面，作为电磁轴承悬浮的基本理论和基本技术已经日趋成熟，但由于 磁力轴承涉及到机械设计、转子动力学、控制理论、电工电子技术、电磁理论、 测试技术、计算机技术及数字信号处理技术等众多学科知识，研究难度相当大， 加上科研经费有限，到目前为止尚未取得大批量生产应用的先例，仅仅处于单 机实验阶段，整体研究水平与国际上还相差一段距离。 随着国内工业整体水平的发展，特别是航天、航空、国防工业对机械回转 部件的要求的进一步提高，磁力支承作为一种新颖的非接触式支承部件，因为 具有无摩擦、无磨损、无污染、噪声低、少维修、寿命长、可靠性高等优越的 特点和良好的转子动力学特性，而得到学术界和企业界广泛的关注。加之国外 在电磁轴承研究和工业应用方面取得的成就，促进了国内这方面的研究。特别 是这几年，多学科参与的电磁轴承应用系统的研究已逐渐成为一个研究热点。 1 3 研究背景和意义 1 3 1 研究背景 管绞机使用电动机作为其动力来源，通过皮带带动绞体旋转。材料从绞体 的一端进入，电缆成品从另一端输出。绞线必须依赖管绞机绞体主轴的高速旋 转得己生成。一种规格的电缆管绞机绞体主轴如图卜1 所示。绞体主轴长9 9 4 m ， 支承部分截面外径7 0 6 m m ，内径为6 6 4 m m ( 不含外罩) ，主轴总重量6 8 吨，a 3 钢制作。 图l - i 电绞管缆机绞体 原电缆管绞机以托辊作为支承元件。管绞机运行后，绞体的旋转运动会给 托辊带来冲击。从图卜1 中可以看出，绞体主轴由多套结构相同的滚筒联结而 成，由于主轴的径向尺寸过大，采用了4 点支承。主轴的两端是由机械轴承支 承，中间用两个刚性托辊支承，托辊外形如图卜2 所示。管绞机系统在3 0 0 转 分以上转速工作时，中间的刚性支承有严重的振动和冲击，使托辊发热并伴有 较大噪音，一方面给工人的工作环境带来影响，另一方面系统整体动态性能变 差。为了减少托辊的冲击力，并保证绞体运行。的稳定性，管绞机的旋转速度有 一定的限制，这样给工业生产带来很大的局限。 图1 - 2 托辊外形 改善绞体主轴工作性能和提高电缆管绞机的生产率就是要改进现有绞体的 支承形式。基于此考虑在实际应用中用磁力悬浮支承机构代替传统的托辊，实 现悬浮支承，达到提高管绞机的使用寿命和工作效率的目的，从而为企业实际 生产中带来更大的效益，以及提高企业的市场竞争力。图卜3 给出了一般磁力 悬浮支承系统的基本结构图。基本原理是：通过传感器检测出转子偏离参考点 4 的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大 器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行电磁铁中产生磁力从而使 转子维持其悬浮位置不变。电磁轴承的刚度、阻尼以及稳定性由控制规律决定， 其承载能力和适应性基本上由电磁设计决定。 图i - 3 磁力悬浮支承系统基本结构图 通过对管绞机工作特点和存在问题的分析，本课题包括如下研究和技术改 进： 研究内容：保留两边轴承支承和驱动形式( 参见图卜1 ) ，以两个非接触磁性 支承代替中间两个刚性托辊支承，在原来托辊支承点上由电磁力提供克服绞体 主轴挠度所需支承力。 研究目的：开发制作两套磁力支承系统，代替电缆厂中原系统中间的托辊 支承。要求替代后绞机主轴的振动、冲击和噪音等缺点有明显改善，主轴转速 能提高至5 0 0 转分以上，绞机运行可靠。 1 3 2 研究意义 磁力悬浮支承是一个复杂的机电耦合系统，研究内容广泛，涉及到机械学、 电子学、铁磁学、电磁学、转子动力学、自动控制、信号处理、计算机技术等 多门学科领域的知识，充分运用到机械现代设计理论与技术。因为其技术涉及 多学科领域，多项技术的交织在其中表现突出，研究和开发利用的难度较大， 到目前为止，虽然国内不少高校以及研究单位对其进行开发和研究，但是依然 没有一套成熟、可靠和可行的理论和设计方法可以将其运用到工业生产当中， 阻碍了磁力悬浮技术在企业中的推广。本研究课题的意义有以下几个方面： 采用磁力悬浮技术，满足电缆厂的要求，提高生产效率。将制作出的两套 磁力支承系统替代原系统中间的刚性托辊支承，主轴转速由原来3 0 0 转分提高 至5 0 0 转分以上，绞机运行可靠。 给出了大型磁力支承结构的设计流程图，为以后将磁力支承技术应用于其 他的工业设备给出了参考。 给出p i d 控制控制原理和参数选则。根据电缆管绞机支撑系统控制的非线 性特点，给出传统应用较为广泛的p i d 控制原理，以及p i d 控制器参数的选择范 围。 实现管绞机支撑结构环境化，健康化，为其他需要改进的设备提供一种 示范。改进后的电缆管绞机绞机主轴的振动、冲击和噪音等缺点有明显改善。 将c a d 、有限元分析等设计、分析、控制分析工具运用到磁力悬浮研究过 程当中，为后来者开拓一种方法。 1 4 论文主要内容 磁力悬浮系统是一个复杂的机电一体化产品，目前关于其设计与理论研究 都还没有一套比较成熟、系统和完整的方法，也没有比较统一的设计规范和标 准。本论文针对合肥电缆厂的生产需求，进行了深入系统的研究，给出了一套 完整的磁力支承系统设计方案。并在此基础上对整个系统的p i d 控制方法进行研 究。本项目来源于与企业合作的课题“大型管绞机磁力支承装置的开发研究”， 其主要内容及结构安排如下： 第1 章：绪论 综述磁力支承技术研究的发展，历史和现状。给出了本论文研究的来源， 提出了管绞机磁力悬浮支承系统研究的背景，内容和意义。 第2 章：管绞机磁力支承结构的方案设计 介绍磁力悬浮支承闭环系统工作原理，分析主轴力学模型，计算出需要替 代的两点支承力的大小，给出管绞机一种可行的方案。 第3 章：磁力支承结构的参数设计 介绍了电磁场的一些基本概念，以及电磁场设计中用到的磁路法。给出了 整个磁力支承结构的设计流程图，以及重要参数的计算方法和公式。最后给出 整个计算结果。 第4 章：磁力悬浮p i d 控制系统 控制器是磁力支承系统稳定工作一个非常重要环节。本章给出了p i d 控制原 理，以及p i d 控制器各个参数的选择范围，为以后的工作给出了理论基础。 第5 章：磁力支承系统的有限元分析 对磁力支承系统的电磁场部分，以及支架的强度两个方面进行了有限元分 析和研究，结果显示电磁铁提供的电磁力，以及支架的最大应力应变都能满足 实际需要。本章最后给出了实物结构。 第6 章：全文总结与展望 6 第二章管绞机磁力支承结构的方案设计 2 i 磁力悬浮系统工作原理和特点 图2 1 为磁力悬浮支承闭环系统工作原理图。由图可知，一个典型的磁力悬 浮支承闭环系统包括转子、定子( 电磁铁) 、位置传感器、位移信号转换电路、 控制器和功率放大器等。在分析时，转子是系统中的被控对象，定子电磁铁是 产生控制力的执行元件，位移信号转换电路为系统的控制器，功率放大电路是 连接控制器和执行机构的纽带。 u 图2 1 磁力悬浮支承闭环系统工作原理图 磁力悬浮系统工作的基本原理是【4 】：系统正常旋转时，转子处在上下设定的 电磁铁中心平衡位置。电磁铁与转予的间隙均为，上下通电磁铁的电流相等。 若中心转子受到外力干扰时而向上偏离x ，传感器检测到位移偏移量并通过前 置通过电路转换为信号误差电压u 。【，。与给定的位置参考电压u 。作比较，然 后将误差值u 。送入控制器的微处理器。控制器将计算出所需的控制信号，并通 过功率放大器将其转换成控制电流，最后在电磁铁中产生一个回复磁力，使转 子维持其悬浮位置不变。 磁力悬浮系统正常工作时，定子电磁铁的电磁力能够使转予稳定悬浮在空 中。磁力悬浮系统的性能不仅与其本身机械结构的各个参数有关，而且与控制 器也有很大的关系，其性能的优劣是由磁力悬浮系统的电磁及其控制器性能共 同决定的。磁力悬浮系统的主要技术指标如刚度、阻尼都与控制器有密切的关 系。 定子电磁铁的结构形式一般采用类似于电机电磁铁的结构。定子电磁铁采 用导磁性能优良的软磁材料制作，材料导磁的性能会影响磁悬浮轴承的承载能 力，以及铁心中的涡流的大小。超导材料的应用可以大幅度提高磁悬浮轴承的 性能。 7 控制器是磁力悬浮系统中关键的部分，控制器的性能不仅决定了磁力悬浮 系统能否实现，还直接影响了转轴的回转精度和承载能力等磁力支承系统的关 键指标。早期的控制器采用模拟电路来实现，其特点是成本低、容易实现：不 足之处是参数调节困难，难以实现先进的、复杂的控制算法。目前在磁力悬浮 系统中，广泛的采用数字控制系统，一开始用计算机做硬件，由于微机速度慢， 硬件体积大，工业使用很不方便，现在逐渐采用数字信号处理器( d s p ) 来实现控 制器的功能。不论是模拟控制还是数字控制，磁力悬浮系统对控制器的性能指 标主要要求是系统增益大，定位精度高，动态响应时间短，系统阻尼特性好， 不会有大的超调量。 功率放大器的作用是向定子电磁铁提供控制电流。电磁铁产生的电磁力是 与电流的平方成正比，这样使控制成为非线性问题，使用平方转化器或者利用 偏磁原理以及差动结构的电磁铁，可使其转化为线性控制问题。 位置传感器目前较多的采用电涡流传感器，从磁悬浮轴承的结构来看，只 要是非接触型的均可，而且以差动工作方式为佳5 】【6 】【7 】【8 1 1 9 1 。 通常，磁力支承的优点有两方面：转子与定子之间没有任何接触：控制系 统的控制功能。具体而言，它所有拥有的特点为 1 0 l ： 回转速度高。有磁力支承系统支承的转子，可以在超临界、每分钟数十 万转的工况下运行，其圆周速度只受转子材料强度限制。 发热很小，功耗低。主要由于磁滞和涡流引起很小的磁损耗而消耗 t t d , 的功率，因而效率很高，与液力轴承相比，功耗降到了1 1 0 1 1 0 0 。 维护成本低，寿命长。磁力支承系统是靠磁场力来悬浮轴颈的，相对于 运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，而由 于电子器件的可靠性在额定工作条件下大大高于机械零部件，所以磁力支承系 统的寿命和可靠性均远高于传统类型轴承。 无需润滑和密封。既机构紧凑，简化机器设计，又不存在润滑剂对环境 的污染，可广泛运用于人无法或者不宣接近的环境等，与一般轴承相比具有无 可比拟的优势。 磁力支承系统的动力学参数，如刚度、阻尼等等，可以通过调节控制器 的参数方便的进行调节，其回转精度可以达到微米级或者更高，刚度可以根据 实际来设计。 2 2 磁力结构的设计方案 2 2 1 管绞机力学模型 管绞机是一种绞制钢绞线、铝绞线、钢芯铝绞线的大型设备，是钢丝绳厂， 电线电缆厂，铜材厂绞合多股线的高速绞合机。一般有放线架、绞线简体、模 座、牵引机和收线机组成。它使用电动机作为其动力来源，经过皮带传动，使 简体主轴高速旋转。简体旋转经传动牙箱的齿轮传动，把动力传到牵引装置， 使牵引轮转动。股线必须依赖管绞机绞体主轴的高速旋转得以生成。材料从绞 体的一端进入，电缆成品从另一端输出，绞体的卷速是影响其生产效率的首要 因素。管绞机托辊支承结构实物如图2 2 所示。 图2 - 2 托辊支承结构实物图 从上图可以看出，由于绞体主轴长度方向的尺寸比主轴横截面方向的尺寸 要大很多，并且整个轴体的轴线为直线，因此在之后建立数学模型的时候，可 以将其简化成为一个等直杆。绞体主轴的两端是采用轴承作为支承，静止的时 候只受到垂直于杆轴线的均匀载荷重力q 的作用。因为整个管绞机的重力都作 用在同一纵向对称平面且绞体轴线将在此纵向对称平面内变成一条平面曲线， 故本问题可以当作简支梁的平面弯曲问题来处理。 在实际生产过程当中，为了减少梁的应力和应变，以达到提高梁的强度和 刚度的目的，在主轴中间一般会增加两套托辊支承，并将其位置称为c 点和d 点，使之由静定梁变为一个超静定梁的问题。管绞机原来的托辊支承结构的最 终力学模型，可以当作是一个简单超静定梁的问题。根据上节的分析，可以得 到图2 - 3 的管绞机主轴力学模型。 企业提供的参数值有：管绞机的总重量为6 8 吨，q 为均匀载荷重力，主轴 长9 9 4 m ，支承部分的截面外径为7 0 6 m m ，内径为6 6 4 m m ，材料选用为a 3 钢( 其弹性模量位e = 2 0 0 g p a ) 。其中，整个管绞机的主轴长l = 9 9 4 m ，第一个支 承点c 主轴左边的距离l l = 3 4 2 5 m ，第二个支承点d 主轴左边的距离 l 2 = 6 3 6 7 m 。f c 和f d 为所需要提供的目标磁力。 9 x 图2 - 3 管绞机主轴力学模型 参考图2 - 3 ，最后所要采用的两套磁力支承结构将分别放置在c 点和d 点。 首先必须要计算求出目标力f c 和f d 的大小，对这个超静定梁问题进行力学分 析。由于主轴没有任何y 方向的位移，根据材料力学知识，得到以下的变形协 调方程 1 1 】： a c = 厶臼+ c f c + a c f a 2 0 ( 2 - 1 ) d = 脚+ 胁+ 删= 0 ( 2 - 2 ) 其中a c 、a d 为在外力作用下，c 和d 点的位移；a 国、册为在q 作用 下c 和d 点的位移；c f c 、在f c 作用下c 和d 点的位移；a c f d 、为 在f d 作用下c 和d 点的位移。 在式( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) 中，对应的挠曲线方程为： 一器口一2 珥+ 露) ( 2 - 3 ) 。= ! 訾 r 一茸一( 三一厶) 2 】( 2 - 4 ) 倒一f d ( l 。眦- l 2 ) l a l 2 一e l 一( 一岛) 2 1 ( 2 - 5 ) 脚2 一差茜( p 二2 上罡+ e ) ( 2 - 6 ) 腩一f c ( l 。眦- l t ) l 2 l 2 一罡一( l - l 1 ) 2 】( 2 - 7 ) 删= 警睁叠一( l - l 2 ) 2 】( 2 - 8 ) 其中，i 为转动惯量。对于管绞机主轴而言，由于其是一个对称的圆环，所 以，= 告( r ? 一月；) ， r l = 0 7 0 6 m ，r 2 = 0 6 6 4 m ；e 为弹性模量。 最后计算得出： r = 2 3 5 7 5 t 匕= 2 4 6 6 9 t 根据以上超静定公式计算，得出在c 和d 点安装电磁支承后，必须分别要 提供2 3 t 和2 5 t 的垂直向上的支承力。这样，磁力支承才能将所支承部分得 1 0 轴悬浮起来，从而消除与主轴的摩擦和冲击，绞体的工作效率才能提高。这两 个力的大小将是后续电磁铁设计的重要依据。 2 2 2 磁力支承的结构方案 此次研究将开发制作两套磁力支承系统代替原系统中间的托辊支承，要求 替代后绞机主轴的振动、冲击和噪音等缺点有明显改善，主轴转速能提高至5 0 0 转，分以上，绞机运行可靠。生产效率得到提高。根据管绞机的实际情况，将作 如下的技术改进：主轴两边轴承支承和驱动形式将保留，两个非接触磁力悬浮 支承将替代原来中间的两个刚性托辊支承，在原支承点c 和d 上由电磁力提供 克服绞体主轴挠度所需支承力。经过分析并比较众多方案后，确定电磁支承 采用图2 - 4 所示二维悬浮支承结构图。 圈2 - 4 管绞机悬浮支承图 定子为4 组关于y 轴对称放置的u 形电磁铁。电磁铁通电后，定子上的4 对u 形磁极分别对主轴绞体产生磁场力，合力方向为垂直向上。为了要形成完 整均匀的磁路，转子上加有k = 2 0 m m 厚的主轴简体。 图2 4 符号表示的意义如下： i 屯一磁轭上长度一磁轭上长度 矗一总高度h 一绕线部分高 i 坑一气隙径向长度2 。一第一级磁级夹角k 一主轴简体厚度 r 一轴体外半径 i 臼一磁轭两边夹角一第二级磁级夹角 c 一轭宽 r ：一轴体内半径 磁力支承的设计主要包括两个部分，定子电磁铁和其安装置支架。图2 - 5 所示为定子与安装支架图。本论文的后面章节将针对于这种结构，分别进行深 入讨论，并给出定子和安装架的各个参数，达到最终设计的目的。 图2 - 5 定子电磁铁与安装支架图 图2 - 6 为支承的三维实体图。其中编号1 为绞体主轴的局部示意图，编号2 为所要保留的原支承底座，编号3 为图2 5 所示的定子和安装架。 图2 - 6 实体模型图 2 3 本章小结 本章对磁力悬浮支承系统工作原理进行了介绍，分析了管绞机主轴的超静 定梁问题，计算了电缆管绞机中间c 、d 两点的支承力。最后结合电缆管绞机的 实际情况，给出了一种磁力悬浮支承结构方案。 1 2 第三章磁力支承结构的参数设计 3 1 电磁场基本理论 磁场设计计算是磁力支承结构设计的主要核心部分，它包括两方面的内容： ( 1 ) 按照已经确定的边界条件、媒质结构尺寸求电磁场分布，称为正向问题。关 于磁场的正向问题，即磁场分析问题，到目前为止在计算电磁学中已经给出了 不少较为可行的解决方案。( 2 ) 按照执行器的静力学和动力学要求，求出磁场分 布，并确定场源、煤质分布、煤质结构型式和尺寸等问题，称为反向问题。对 于反向问题而言，即磁场设计问题，目前尚没有系统和成熟的解决方法。但是 当在处理有关磁力支承结构设计的机械问题时，特别是开发性设计时，却是首 先遇到的问题。这当然也就成为了本课题所涉及到的核心问题。 在磁力悬浮支承设计问题当中，一般所用的电磁计算和分析方法有图解法、 磁路法、实验法、分析法、近似解析法和数值计算法等等。对于磁场设计的前 期，在电磁场的场源和煤质结构形式都没有定下来的情况下，将磁场设计问题 转化为磁路设计问题，也就是通常所说的化“场”为“路”，并借助于求解正向 问题的方法还“路”为“场”做校验和修正，是目前磁力支承设计过程当中普 遍采用的一种方法。由于电磁场内容不是传统机械所涉及的内容，本章首先分 别就对磁场设计中所必须知道几个基本概念作简单的介绍，另外，作为设计磁 力支承系统所必须涉及的磁路法和重要的基尔霍夫定律也分别作些叙述。 3 1 1 磁场中的基本概念 磁场中的基本概念中，最为重要的有4 个，包括磁通量、磁场强度、磁感应 强度和磁导率。 ( 1 ) 磁通量庐 垂直于某一面积所通过的磁力线的多少叫做磁通量或磁通，通常用毋表示。 其中，磁通量与磁感应强度之间的关系，可以用面= b s 表示。磁通量的单位为 韦伯( w b ) 。需要指出的是，如果磁感应强度为b ，某平面的面积为s ，该平面与 磁感应强度的方向间的夹角为口，因此该平面的磁通量为痧= b s s i n 0 。 ( 2 ) 磁场强度h 在任何磁介质当中，磁场中某点的磁感应强度b 与同一点的磁导率的比值 称为该点的磁场强度日，即：h = b p 。方向与磁力线在该点处的切线方向一 致，单位：安米( a i m ) 。 ( 3 ) 磁感应强度( 磁通密度) b 在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力f 跟电流强度，和导线 长度工的乘积尼的比值称为通电导线所在处的磁感应强度，即b = f i l l 。又因 为西：b s ，所以磁感应强度另外一种表达方式为：b = i s 。换句话说，磁感应 强度又等于穿过单位面积的磁通量，故磁感应强度在很多情况下又可以叫做磁 通密度。 ( 4 ) 磁导率 磁导率是用来表征磁场中介质磁性质的物理量，也就是衡量磁介质导磁能 力的物理量。其变化就是所谓的磁化曲线。非铁磁物质磁化曲线为直线，而铁 磁物质磁化曲线为一条曲线，满足方程b = 脯。 3 1 2 磁路法 通常所说的磁路分析，是基于理想三条假设基础上进行的。第一是不考虑 铁芯与线圈的磁动势损失；第二是铁磁材料不呈饱和特性；第三是不考虑漏磁 和边缘效应的影响【1 2 1 1 1 3 】。在分析磁路时，对磁场部分作精确的理论计算还不大 可能。又因为设计初期也不需要对磁场作精确的理论计算，所以可以采用磁路 分析法进行相关量的计算。磁路法在很多磁性装置和支承结构的设计当中已经 较为成熟，并且已成为磁应用领域工程技术人员普遍掌握和使用的一种应用技 术。 麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程从原理上保证了磁路设计与计算的可能性，但严格 地分析、求解磁路问题却遇到了许多数学上的问题。例如，磁路的固有特点使 得其数学模型一般具有很强的非线性，大多数问题无法得到解析解；磁路参数 与铁磁体的形状、尺寸和性能往往存在着不明确、复杂的映射关系。为了回避 这种复杂的数学问题，又能解决实际问题，在以往的磁力支承结构设计当中普 遍采用的方法是：磁场设计用化磁场为磁路的集中参数方法，把磁路和电路引 以数学形式上的相似关系，用求解电路的方法对此路作定量计算，并依赖于经 验参数对计算结果进行修正。这就是通常所采用的磁路法。 磁路的概念是基于铁磁物质的磁导率a 远远超过了非铁磁物质的磁导率而 建立起来的。对于电磁场来说，介质磁性质可以用磁导率或曰一日曲线来表 示。磁路一般是由铁磁材料部分( 如永磁体、软磁体) 、非铁磁材料部分( 如磁间 隙、漏磁空间等空气部分) 组成，对磁路的分析、计算应当包括铁磁材料及非铁 磁材料的整个空间区域的场分析。图3 - 1 显示了磁路的组成。 铁磁 磁材料 图3 - 1 磁路图 对铁磁体而言，其在不同磁感应强度值下具有不同的相对磁导率雎，线性 或是浅饱和条件下u ，可达一千多至几千，而非铁磁体仅仅只有不到十的所。铁 磁体在磁场中的地位相当于电路中的导体，而大部分的磁通都“流”过铁磁体。 这样，就可以非常形象地将磁通看成为在磁通管内流动着的物质，就像电流在 电导体中流动着一样。根据这样的相似性比拟，磁通就相当于电流，磁通管就 相当于载流导体。当然，磁场也就可以简化为类似电路的磁路。这就是所谓的 “场”的“路”化i “j 。 根据上一段所分析的相似性原理，对电路参数和磁路参数进行类比，如表 3 1 所示： 表3 1 电路参数和磁路参数类比 i 电路参数电压降u电流i电阻r电导g l 磁路参数磁压降u 。磁通中磁阻r m磁导g m 电路欧姆定律：r = 等 ( 3 - 1 ) 类似的有，磁路“欧姆定律”： r ， 如2 苦( 3 - 2 ) 对于一段长度为三，截面积为a 的等截面磁通管，其磁阻应当为： r ，= 专 ( 3 - 3 ) m 这个公式与等截面导体的电阻公式相似。 关于空间场，可以用大家熟知的麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组来描述。这个方 程组的微分形式如下： v 。罾：一塑 研 v 再：了+ o _ d 西 v b = 0 v d = p ( 法拉第定律) ( 麦克斯韦一安培定律) ( 关于磁的高斯定律) ( 高斯定律) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 其中，e 一电场强度，口一磁通密度，日一磁场强度，一电流密度， d 一电 通密度，p 一电荷密度。 对于磁力悬浮支承问题，当磁场问题简化为磁路问题后，所要设计的内容 也相应的简化。简化的过程为：已知磁路组成要素，求解工作间隙内的磁通分 布或电磁力( 力矩) 的正问题，以及给定场强或电磁力( 力矩) 求解磁路要素的反问 题。 3 1 3 基尔霍夫两定律 在很早，磁路计算就被研究人员广泛的作为磁力支承系统设计和计算的方 法，并且在非常长的时间内是唯一实用的方法 1 s l 。通过上一节的描述，可以了 解，磁路法的依据是磁系统中的磁通绝大部分是沿着以铁磁性材料为主体的路 径中流通的。它的理论基础是电磁场理论中的磁通连续性定律和安培环路定律， 它的运算公式则是磁路的基尔霍夫第一和第二定律。这两个定律是德国物理学 家基尔霍夫首先提出的。下面分别针对电磁场，介绍基尔霍夫两大定律。 磁路的基尔霍夫第一定律：对于磁路中的任一包围面，在任意时刻穿过该 包围面的各分支磁路段的磁通量的代数和为零。此定律也可以称为磁通连续性 定理。 e j i = o ( 3 - 8 ) 磁路的基尔霍夫第二定律：对于磁路中任一闭合路径，在任意时间内，沿 该闭合路径的各段磁路的磁压降的代数和等于围绕此闭合路径的所有磁通势的 代数和，也可以称为安培环路定律。 磁= n i ( 3 9 ) 上式中等号左端各项的正负号由磁场强度日与所定的绕行方向是否一致来 确定，等号右端各项的正负号由磁通势的方向与所定的绕行方向是否一致来确 定。上式中各磁路段截面相同，磁通相同，所以磁密相同，又因为磁介质相同， 因此磁场强度相同。 3 2 管绞机磁力支承结构设计流程 磁力支承结构设计的主要任务是根据技术指标来设计电磁铁的几何尺寸、 铁心磁通密度等参数，同时还要考虑设计变量的边界约束。 根据第二章的总体方案( 参照图2 - 4 ) ，定予由四组u 形电磁铁组成整体型式。 定予材料选择具有良好导磁性和机械强度2 0 号锅，并且定子上开槽安装线圈。 采用五组电磁线