（电机与电器专业论文）混合式磁悬浮轴承及其控制系统的研究.pdf

沈m 1 业欠学坝i 学位论文 r e s e a r c ho i lh y b r i dm a g n e t i c b e a r i n g a n dc o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t m a g n e t i cs u s p e n s i o nb e a r i n g i san e w k i n do fb e a t i n g r o t o ri s s u s p e n d e di n t h ea i r w i t h o u tm a c h i n ef r i c t i o na n dl u b r i c a t i o nu t i l i z i n g t h er o t o rp o s i t i o nc a nb ec o n t r o l l e db y c o n t r o l l e r i ti sah i g h n e wt e c h n i c a le q u i p m e n tr e l a t e dt ot h ef i e l d so fm a c h i n e r y ，e l e c t r o n c o n t r o l ，s e n s i n ga n dc o m p u t e r t r a d i t i o n , da c t i v em a g n e t i c1 ) e 撕n gi sc o m p o s e d o f r o t o r ，e l e c t r o m a g n e t ，s e n s o r ，c o n t r o l l e r a n dp o w e r a m p l i f i e r t h er o t o rp o s i t i o nc a l lb ee x a c t l ym e a s u r e db yd i s p l a c e m e n t ss e n s o ra n d e x a c t l yl o c a t e db yt h ec o n t r o l l e r s s ou n d e rt h ed i s t u r b a n c ef o r c e s ，t h er o t o rm a y r e t u mt ot h e o r i g i n a lp o s i t i o nr a p i d l y a n d e x a c t ) b yc h a n g i n g t h ed r i v e rc u r r e n t s an o v e lh y b r i dp e r m a n e n tr a d i a lb e a r i n gi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，w h o s eb i a s e dm a g n e t i c f i e l di sp r o d u c e db yt h ep e n n a n e n tm a t e r i a l i nt h ea c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ，i ti so f t e np r o d u c e d b yt h ee l e c t r o m a g n e t i nt h eh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n gp r o p o s e di nt h i st h e s i s ，t h ee l e c t r o m a g n e t o n l yp r o v i d e st h ef o r c e st ob a l a n c et h ev a r i a t i o no f t h ed i s t u r b a n c ef o r c e t h en u m b e ro f a m p e r e t u r n so ft h eh y b r i dm a g n e t i cb e a t i n gi so n l yh a l fo ft h ea c t i v eb e a r i n gw i t ht h es a m ec a r r y i n g c a p a c i t y i tc a ng r e a t l yr e d u c et h ep o w e rl o s sp r o d u c e db yt h eb i a s e dc u r r e n t ，s ot h eq u a n t i t yo f h e a to f t h e p o w e ra m p l i f i e ri sr e d u c e da n d t h ee n e r g y i ss a v e d t h e m a j o r 、o r ko f t h i st h e s i si sp r e s e n t e d a sf o l l o w s ： an o v e lh y b r i dp e r m a n e n tr a d i a lb e a r i n gi sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r l i y b r i d r a d i a l m a g n e t i cb e a r i n g i s d e s i g n e db yt h em a g n e t i cc i r c u i tm e t h o d a n dt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ev a l i d a t e db ya n s y s ak i n do ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e t h et w o d e g r e ec o n t r o lm o d e lo fm a g n e t i c b e a t i n g i se s t a b l i s h e d t h ec o n t r o l l e ro f m a g n e t i cb e a r i n gi ss i n u r l a t e db ym e a n so ft h et o o l b o xo fs i m u l i n ki nm a t l a b t h es i m u l a t i o n r e s u h ss h o wt h a tm a g n e t i c b e a r i n gc a nr u ns t a b l yc o n t r o l l e db yp i d c o n t r o l l e rd e s i g n e d t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e md rt h em a g n e t i cb e a r i n gs y s t e mp r o p o s e di s d e s i g n e du j t h s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r c 8 0 5lf 0 0 5 k e yw o r d s ：h y b r i dn m g n e t i cb e a r i n g ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，m a t l a bs i m u l a t i o n d i g i t a lc o n t r o ls j s l e m 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谓 意。 签名：；毖苏日期：加乒王己 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：；弪耘导师签名：日期：? 耐，己 沈阳t 业人学顺i 学能论文 1 绪论 1 1 磁轴承的研究背景和意义 传统的电机是由定子和转子组成，定子与转子之间通过机械轴承连接，因此转予运 动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加转予的摩擦阻力，使运动部件磨损，产生机 械振动和噪声，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均 匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，最终缩短电机使用寿命。磁悬浮轴承是 利用定予和转子励磁磁场之间“同性相斥，异性相吸”的原理使转子：毯浮起来。因此， 定子与转子之间不存在任何机械接触，可以产生较高的加速度和减速度。机械磨损小， 机械与电气保护容易。维护、检修和更换方便，适用于恶劣环境、及其洁净无污染环境 和特殊需要的领域【”。磁悬浮轴承的研究越来越受到科技工作者的重视，其发展前景令 人鼓舞。 磁悬浮轴承要解决的主要问题是轴承的支撑力及动态调节刚度，而驱动力仍然依靠 电机本身束解决。因此磁悬浮轴承( 又称磁轴承，为了简便，以下统称磁轴承) 的结构设 计与控制系统的研究是目前磁悬浮轴承研究的重点1 2 i 。法园、日本、瑞士、美国等相继 投入了大量的人力物力进行研究。目前己成功的应用于高精度的机床主轴、数控机床主 轴、高压真空泵、涡轮机、压缩机、水轮发电机、卫星导航等领域中。在法国、f 1 本、 加拿大、瑞士、美国已有专门的磁轴承公司，从事磁轴承产品的研究、开发、生产、经 营及应用l 。q 】。而在国内磁轴承研究起步较晚，目前虽然有很多科研单位把磁轴承作为 重点来研发，取得了一定的成果，但离工业化的批量生产还有一定的距离。 种种现象表明，磁轴承技术仍然属于一种新兴的、有着许多极需要突破雉点的研究 型技术。而国内外对这项技术的重视又表明了这项技术同样有着很诱人的市场应； j 前 景。它与传统的轴承相比具有一系列独特的性能，国内外把磁轴承的出现称为是支承技 术的一场革命卜6 i 。 就控制系统来说，磁轴承控制主要是气隙大小的控制。而定子与转子磁场之阳j 作用 力人小与气隙大小呈非线性关系，并且气隙越大作用力越小，因此对排斥型悬浮系统气 隙控制可以静态稳定，而吸引型悬浮系统气隙控制不能保证静念稳定( 不稳定的平衡 沈m t 业人学 i | j i 【j 学位论叟 点) 1 7 j 。反馈控制可以实现鲁棒非线性控制，增强系统因参数变化及外部干扰作用的鲁 棒性。磁力轴承的反馈控制是利用在平衡点处线性化的控制系统数学模型，根据传感器 检测到的气隙变化及其变化率的反馈信息，控制励磁绕组的电流偏移量，改变磁场强度 以达到控制悬浮力和推进力的目的| 8 l 。因此，需要利用电力电子器件，常用的如g _ j 1 0 、 m b t 、m o s f i t 等，随着磁悬浮轴承控制系统功率的增长和动态响应的快速性要求提 高，对电力电子器件容量和开关频率的要求也越来越高一j 。新的控制方式如脉宽调制 p w m 控制，空间矢量控制，以及悬浮与推进解藕控制方式达到有效应用，但经典的p i d 调节器在控制系统中仍然具有很强的生命力。目前，结合现代控制理论，尤其是非线性 控制理论，应用滑模变结构控制，t t - 一控制和u 控制等鲁棒控制理论，增强了非线性系 统的稳定性和抗干扰能力m 1 2 1 。 总而言之，开展磁轴承的结构设计与控制系统的研制工作具有重大的研究背景和现 实意义。 1 _ 2 磁轴承的国内外发展栖【况 将物体处于无接触悬浮状态，直是人类追求的目标，但实现起来并不容易。对于 磁悬浮技术的研究历史最早可以追溯到十九世纪中叶。磁悬浮轴承是种应用转子动力 学、机械学、电工电子学、控制工程、磁性材料、测试技术、数字信号处理等综合技 术，通过受控磁场力将转子和轴承分开，实现无机械接触的新型高性能轴承i i j 。 由于不存在机械接触，磁轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑的特点，转了可以高 速旋转，其转速只受转子材料强度的限制，功耗和噪声极低，能适用于多种复杂的应用 环境。磁轴承的另一个突出优点是转予运行状态可以由控制系统实时榆测，可以在线评 估不平衡火小并能对不平衡进行主动控制，从而使转予系统的控制达到很高的精度。磁 轴承具有的这些特点，使它在很多应用领域内与传统滚动轴承、油膜轴承以及气体轴承 相比具有明显的优越性。 按照磁力的提供方式，磁轴承可分为如下三大类： ( 1 ) 有源磁轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g 简称a ) ，也称为主动磁轴承，磁场是可 控的，通过检测被悬浮转子的位置，由控制系统进行主动控制实现转子悬浮； 沈| ；f ：】i 业大学 i j ；! 学位论文 ( 2 ) 无源磁轴承( i ，a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g 简称i m b ) ，也称为被动磁轴承，以永磁体 或超导体实现对转子部分自由度的支承； ( 3 ) 混合磁轴承( 永磁偏置) ( h y b r i dm a g n c t i cb e a r i n g 简称b ) ，其机械结构中包含 了电磁铁和永磁体或超导体。混合磁轴承利用电磁铁和铁磁材料之间的吸力实现转子的 无接触悬浮，永磁体提供的是恒定的偏置磁场，微小的扰动就能使转子偏离平衡位胃而 无法复原，因此，必须对磁轴承施加主动控制才能使转子稳定工作。 目前，国际上对磁轴承的研究工作和学术气氛非常活跃，1 9 8 8 年在瑞士苏黎士召 开了第一届国际磁悬浮轴承会议( i n t e m a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i cb e a r i n g s ) ，此后每 两年召开一次。美国航空航天管理局1 9 9 1 年召开了一次“磁悬浮技术在航天中的应用 ( a e m s p a c ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) ”的学术会议，从1 9 9 1 年 起，美国每两年召开一次i n t e m a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ， 国际上的这些努力，大大推动了磁轴承在工业中的广泛应用。 磁悬浮轴承的概念早在1 0 0 多年前就提出来了，但是它在工业上的广泛应用却是最 近二十年的事情。大约从1 9 7 0 年起，磁悬浮支承就己用在卫星姿态控制的动量飞轮 上，随着功率电子和数字信号处理器件的出现以及控制理论和转子动力学的进展，磁轴 承技术得到了长足发展【”。现在，国际上已经成立了多家专门从事磁轴承产品研究开发 的公司。1 9 7 6 年成立的s 2 m 公司对超高速精密加工机床用的磁轴承主轴进行了系统的 研究和开发，多年来，该公司己经丌发了多个磁轴承产品，广泛应用于机械加工电主 轴、透平液体气体压缩机、真空泵、高速机械和发电站等。瑞上m e c o st r a x l e ra g 生产的磁轴承主要应用于透平鼓风机、分子泵、气体膨胀压缩机以及纺织锭予。19 9 2 年成立的r e v o l v em a g n e t i cb e a r i n g sl n c 在2 0 0 0 年由a bs k fo fg o t e b o r g ，s w e d e n 收 购，是家从事磁轴承产品开发的专门公司，其产品应用在密封马达、磨头、高速铣 削、压缩机、分子泵、空调压缩机、分予泵和真空泵等。另外，还有瑞士l 】3 a ( ，公司， 生产7 0 0 0 0 t m in 和， 0 0 0 0r 、m n 两个系列的机床电主轴，刚度能达到5 0 0 pi l l i2 i 。 在航空航天领域，6 ( ) 年代初美圈德雷伯实验室首先在空n ：i j 制导和惯性b 轮上成功 地使用了磁轴承：法圉军事科学研究实验室于1 9 7 2 年将磁轴承j j 于卫星导航的惯性轮 上；1 9 , h 3 年l | 月搭载于美国航天飞机的欧洲空闻仓内安装了采j _ | 磁轴承的真空泵： 沈m t 业大学硕j 学位论文 1 9 8 6 年2 月，法幽在s i ，( 玎地球观测卫星中安装了姿态控制用的磁浮飞轮：1 9 8 6 年6 月 日本在 i l 型火箭上进行了磁悬浮飞轮的空间试验。虽近几年，美国对磁轴承存发动机 上应用的可行性作了系统的研究，研究结果表明：使用磁浮轴承可以将发动机的重量减 轻15 并将其效率提高飘左右”“l 。美国航空周刊1 9 9 4 年11 月报道：美国一家公 司在计划研究的x t c 一6 5 发动机的核心机中使用了磁轴承，其验证机己通过了1 0 0 小时 的试验。现在正在太空运行的业余无线电通信卫星a m s a t o s c a r4 ( 1 采用了磁轴承飞 轮。 国内对磁轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室及工业试验运行阶段，未见批量 生产的例子报道。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”课题进行了研究。清华大学对磨床电主轴及磁轴承相关的电涡流传 感器、数字控制器、虽小脉宽功率放大器【b l 进行了研究，并在无锡机床厂进行了试验， 静态刚度为3 9 3 n um im 】。西安交通大学对支承飞轮的磁轴承和涡轮膨胀机用磁轴承进 行了研究。上海大学试验研究的磁轴承制氧透平膨胀机，在1 2 0 0 0 1 ，m in 时振动幅值为 2 0un l ，稳定转速为9 2 0 0 0 r m i n 】。武汉理工大学对磁轴承高速磨削主轴结构以及磁轴 承虚拟设计进行了研究。深圳大学研制成功一台磁轴承试验样机。q 3 夕l - ，哈尔滨工业大 学、北京工业大学、国防科技大学等都曾经或正在开展这方面的研究工作。总体来看， 国内的磁轴承研究主要集中在离心设备、磨床电主轴和高速钻头主轴等，但都没有批量 产品出现的报道，和国外先进水平还有很大的差距。南京航空航天大学磁悬浮技术研究 所从l9 9 2 年起，开展了对民用和航空用磁轴承各项关键技术的研究和开发，对磁轴承 用电涡流传感器、模拟控制器、数字控制器、功率放大器、混合磁轴承及其机械结构迸 行了研究。 磁轴承技术目前在涡轮机械行业获得t ? b j l 泛的应用，在机械j 【j 工行业也有部分应 删。磁轴承的发展主要集中在以下几方面。7 1 ： ( 匿导磁轴承的研究。随着近年来高温超导材料和抗磁材料研究的突破性进展， 超导磁轴承引起了科研人员的关注，高温超导技术的发展，将使超导磁轴承在部分领域 对普通磁轴承构成挑战。 沈m1 。业大学坝 ：学位论文 ( 2 ) 高温磁轴承的研究。研究能够在5 5 0 。c 6 5 0 。c 温度f 工作的高温磁轴承，以航 空发动机为应用对象，解决材料工艺、可靠性、高温传感器和高温磁轴承工艺等问题。 美国和欧洲都正在开展航空发动机用高温磁轴承的研究。 ( 3 ) 控制系统的智能化、集成化发展。为了满足磁轴承应用上的高性能、高可靠性 和低成本，磁轴承控制系统向数字化、智能化、集成化发展是必然趋势，在国外出现了 将磁轴承控制功能集成在单芯片或单板上的报道。 ( 4 ) 无传感器( s e n s o r l e s s ) 磁轴承研究。这种磁轴承不需要位移传感器，因而能降低 成本、减小体积、提高系统可靠性，在工业上有很广阔的应用前景。 ( 5 j 无轴承( b e a r i n g l e s s ) 电机的研究。所谓无轴承电机，并不是说不需要轴承来支承 电机转子，而是不需要设计专门的轴承。由于磁轴承结构与交流电机定子结构的相似 性，在电机定子中附加磁轴承绕组来实现对转子的悬浮。无轴承电机将电机和磁轴承集 成在一起，可以缩短电机尺寸，降低系统成本，近年来己经成为了一个研究热点。 1 6 ) 磁轴承的工业应用。研究磁轴承的最终目的是工业应用，由于具有多种优点， 磁轴承的应用行业正迅速从传统的涡轮机械，高速机床等行业向新行业突破，如人工心 脏血液泵、干燥机、精密位置平台、计算机硬盘等。 1 3 论文工作的主要内容 1 3 1 论文的提出 电磁轴承作为一项高新技术在各工业部门及航空领域具有重要的作用和，1 泛的应用 前景，其优越性是普通轴承所无法比拟的，因此设计出既有良好工作性能，又有较高的 经济指标的 电磁轴承具有重要的实际意义。 从可查阅的国内外文献看到，被动式磁轴承虽然不需要检测和实施丰动控制，但是 其承载能力低、阻尼不可控，使得它的应用范围受到了一定的限制。对一般的主动磁轴 承系统，研究已较为深入和广泛。而对混合式磁轴承结构，参数设计方面研究还有待提 高。混合式磁轴承，相对于一般的主动磁轴承，既是一种可实腌主动控制的磁轴承，义 能降低损耗，节约能源，减轻重量，提高其动态性能，所以对其进行研究具有定的理 论价值和实际意义。本课题是针对沈阳n 世大学与黎明航空发动机集团公司合作丌发项 目“1 0 0 k w 微型高速燃气发电机组”中的高速永磁发电机而设训的磁悬浮轴承系统。 沈h t 业夫学倾 。学位论文 1 3 2 论文的主要工作 ( 1 ) 提出了一种结构新颖的混合式磁悬浮轴承，根据给定的条件，用磁路计算方法 设计磁轴承的结构。传统的磁轴承设计一般是针对主动式磁轴承进行的，其磁场都是通 过电流产生，而混合式磁轴承采用永磁体代替电流线圈提供偏置磁场，能降低损耗、节 约能源，同时也缩小了磁轴承的体积，减轻了磁轴承的重量，提高了磁轴承的动态性 能。 ( 2 ) 用有限元法方法分析磁轴承的结构，采用有限元分析软件a n s y g ，对用磁路方 法计算出的结构尺寸进行仿真校核。a x s y s 软件具有强大的电磁场分析功能，它能给出 各种尺寸和条件下的磁场分布，求得相应的磁通量密度、磁场强度、电磁力及涡旋电流 等参数，据此可以根据设计对用磁路方法计算得到的尺寸进行校核。 ( 3 ) 建立了径向磁轴承的两自由度非线性控制模型，这个模型是关于x 和y 两个自 由度的耦合模型。在此基础上用m a t 】a h 的s i m u l i n k 工具箱对系统进行了仿真分析，并 用p i d 控制策略设计了控制器分别对两自由度控制，分析了两者之间的耦合原理，实现 了磁轴承的稳定悬浮。仿真结果对实现两自由度的分散控制提供了理论依据。 ( 4 ) 采用c 8 0 5 1f 0 0 5 系列单片机设计了磁轴承数字控制器。充分利用了单片机的片 内资源，实现了a d 转换、p i d 运算、p w m 输出等功能。根据转子数学模型用 ) 【d 策略 设计了磁轴承的数字控制器；设计了用于磁轴承系统的电涡流位移传感器和丌关功率放 大器。 1 3 3 论文内容安排 本章介绍了磁轴承在国内外的发展概况、磁轴承工作原理、特点及工业应用和本文 的选题背景、主要工作。本文在分析磁轴承系统结构的基础上，设计了数字控制系统， 将在后面几章中介绍。 第二章，提出了一种结构新颖的径向磁悬浮轴承，分析了其系统结构、参数，推导 出相关公式，为控制器设计建立模型对象，并用a j , s y s 对用磁路计算的结果进行了曼维 场域的分析校核。 第三章，根据第二章的结论，用a t h h 中的s i i f rj i h k ：l 具箱对磁轴承的两自由度 控制模型进行了仿真分析，在此基础上i 殳计了川) 控制器。 沈e 业j 、学硕i 学位论义 第四章，利用c 8 0 5 1 f o o d 单片机对磁轴承系统进行了数字控制系统的设计。设计了 适用于磁轴承系统的位移传感器和丌关功率放大器。 鲨型尘鲎堕塑堡塞 2 混合磁轴承的工作原理及结构设计 2 1 混合磁轴承设计思想 磁悬浮轴承是一个复杂的机电耦合系统。在早期的研究过程中，它由机械系统和控 制系统两个予系统组成。计算机技术的发展为实现整个系统的智能化提供了条件，将计 算村l j j i i 蛰j 系统中得到磁悬浮轴承系统。在这个系统中，利用计算机可以更方便地从外界 拾取信号，并对其进行智能处理，实现轴承的稳定运行与控制。 一个转予要实现完全的悬浮需要在五个自由度上施加控制力，即需要四个径向方向 和一个轴向方向的控制。如果采用磁轴承并加上控制系统，就构成一个完整的磁悬浮系 统。图2 1 是一个典型的单自由度主动磁轴承的工作原理框图。由图可知，一个典型的 主动磁轴承是由转子、电磁铁、传感器、控制器和功率放大器组成。传感器即检测元 件，是磁悬浮轴承的重要组成部分，位移传感器用于检测转子的偏移。控制器是整个磁 悬浮轴承的核心，其性能决定了磁悬浮轴承的好坏，其作用是对传感器检测到的位置偏 差信号进行适度的运算，使得转子有高精度的定位，在外力的干扰作用下能通过迅速而 恰当的电流变化使转子回到基准位置。功率放大器的作用是向电磁铁提供产生电磁力所 需的电流。磁悬浮轴承丁：作的基本原理：通过位置传感器检测转子的轴偏差信号，将该 信号送入控制器，通过功率放大器控制电磁铁中的电流，从而产生电磁力的变化使转子 悬浮于规定平衡的位置。 功率放大器电磁铁 图2 1 磁轴承的工作原理 转了 一_ 一 厂卜懈l 鲨塑! 些查竺塑i 堂垡堡羔 磁轴承按照磁力的提供方式可分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁轴承。被动磁 轴承是利用永磁体或超导体实现对转子部分自由度的支承。严格的讲，出于软磁材料磁 化曲线的非线性特点使得磁轴承系统呈现非线性特性，非线性系统的控制比较困难。为 了简化控制系统，在磁路中常常提供一个偏置磁势，使得磁通的变化在磁化曲线的线性 段。主动磁轴承是利用线圈电流产生的磁场作为一个偏置磁场，这个偏嚣磁场的作用是 将轴承气隙的静态工作点设置在b 曲线线性段的中间位置，如图2 2 所示。这样能使 磁轴承大致工作在线性区域，使磁轴承的非线性控制线性化，简化了控制模型，而且提 高了其动态响应特性。而混合磁轴承一般采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产 生偏置磁场，电磁铁只是提供平衡负载或外界干扰的动磁场，可以大大降低系统困偏磁 电流产生的功率损耗，节约了能源，缩小了功放散热器的体积。混合磁轴承的电磁铁所 需的安匝数只有主动磁轴承的一半，缩小了磁轴承的体积，减轻了磁轴承的重量。这种 磁轴承在磁悬浮电机，高速飞轮储能装置等方面具有广泛的应用前景【l 。 磁陛村料的日h 曲线 图2 2 磁性材料的阴曲线 因此研究永磁偏置磁轴承是磁轴承研究领域的一个重要研究方向；p - 46 口圆际上典型 的h 自l t i 度磁轴承系统馓采用两个径向磁轴承和i 一个轴向磁轴承) k 分别控制径玑轴 向的运动，实现转予_ i 个自山度的稳定悬浮。本文研究的重点是径向磁轴承的殴h 辅 一些口凹：；坠里塑! ：兰丝笙塞 向轴承由于结构简单，设计时可以参考径向轴承，本文不做详细介绍。以后本文提到的 轴承，如不做特殊说明，均为径向轴承。 2 2 磁轴承的基本结构和磁路分析 本文所提出的径向混合磁悬浮轴承基本结构见图2 3 ，由定子、控制线圈、永久磁 铁等构成。工作时径向分别对置的四个线圈反向串联作为相关自由度的控制线圈。定予 和转子采用硅钢片叠压而成，永久磁铁采用钕铁硼永磁材料制成。当径向稳定悬浮时， 转子在永久磁铁和控制线圈产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置伸2 2 i 。 圈2 3 混合磁悬浮轴承结构示意图 这类磁轴承利用一个轴向充磁的永磁体来产生径向气隙的偏臀磁场，采用单极性结 构使偏管磁场在径向磁极都是单一极性，从而使偏置磁通通过一端径向气隙流入( 出) 转 予，同时通过另一端气隙流出( 入) 转子，消除了转予旋转时径向气隙中的磁极性变化， 减小了转子在高速旋转时的磁滞损耗。利用永磁体代替电磁铁提供偏置磁通后有如下优 点： ( i j 线 i i | 7 电流只需提供控制磁通，从而使电磁铁安匝数显著减小、磁轴承的铜耗大大降 低： 沈削p 人学坝 一学位论文 ( 2 ) 在气隙长度范围内，磁悬浮力的刚度系数更接近于常数： ( ： ) 每个自由度只需一个功率放大器，使系统可靠性增强、成本降低。 该磁轴承的整体设计紧凑，其功能单元( 线圈、磁极铁心、永磁体、传感器) 几乎占 据了磁轴承火部分体积，空问利用率非常高1 23 1 之4 1 。在控制线圈没有通电的情况下，转予 处于平衡位置时，永磁体同时在四个径向气隙处产生相等的偏置磁通，这样使转子受到 的径向磁力合力为零。当转子偏离平衡位置时，永磁偏置磁场对转子产生的磁力并不能 使转予回到平衡位置，因此需要一个主动的闭环伺服控制系统去控制径向控制线圈的电 流，产生控制磁通和偏置磁通叠加，使其在转子的一个方向的磁通增强，在另一个方向 的磁通减少，因此在上、下方向，【：产生的大小不一样，转子在上、下磁力的作用f 回到 平衡位置b 。j 。 图2 4 是径向磁轴承的磁路图，蓝色代表的磁通是径向控制线圈中电流产牛的控制 磁通，图2 5 是永久磁铁的磁路图，图中“，是永久磁铁产生的静态偏置磁通，气隙磁 通由这两部分磁通合成。在径向控制方向上，每个径向自由度由两对线圈控制，径向控 制线圈绕在定子磁极上，径向分别对置的四个线圈串联作为相关自由度的控制线圈。 = 图2 4 径向方向磁路图 a 厂f l 一一里羔一一二j 图2 5 永久磁铁的磁路图 沈1t k 学倾卜学位论文 2 3 磁轴承的基本工作原理 混合磁轴承系统的工作原理见图2 6 。这里只表示m 了两层电磁铁中的一层，由于 p , j j t , 两层电磁铁结构对称，所以控制原理是一样的，只不过内外磁柱上缠绕的线圈，通 过的电流方向是相反的。 如图2 6 中，。是用来平衡重力的初始电流。，。是用来控制y 方向位移的控制电 流，。是用来控制x 方向位移的控制电流。图中所示的位移与电流的方向都是规定的 正方向，它们之间对应着如下的关系： 当= 0 时， = 0 ，y = 0 时，。= 0 ； 当x 0 时， 0 ，x 0 ，y 0 时，f ， 0 l ，。：j 醚，。 i 饿，77 + 傺- 一- 7 小一簿i ：f 辩，j 置遴一_ i 。冬_ 。 如上图所示，由于结构的对称性，永磁体产生的偏置磁场在转予四个气隙处的磁通 密度是相等的，此时四个气隙处磁极对转子的吸力是相等的。转子在无外扰动的情况 下，如果初始电流值为零，由于重力，会偏离平衡位置向下运动，加入卟初始电流值 ，”就能使转予存重力的作用下处于平衡位置。假设在参考位置上转予受到卜向f 的 沈m 一业大学硕i 学位论文 外扰力作用，转子就会偏离其平衡位置向f 运动，导致转予上下气隙的间隙变化，使得 卜、下气隙处的磁通量发生变化， 自式 f ：生 o s 有( ，这时传感器检测出转子偏离其平衡位置的位移，控制器将这一位移信号 转换为控制信号，功率放大器将该控制信号变换成控制电流，该电流流经定予左右两 个电磁铁的控制绕组，使两个电磁铁铁芯内分别产生一控制磁通痧，。 这两个磁通对原偏置磁通西分别起加强和减弱作用， 由式( 1 2 ) 知，要使转子回到原来的位置需有 + 。，l 眵一痧， ( 2 2 ) ( 2 ：3 j 如果转子受到一个向上的扰动并向上运动，可以用类似的方法进行分析，得出相反 的结论。转子有向左或向右方向的偏移时，也可以用同样的方法去控制。因此，= _ i i 论转 子受到向下或向h 向左或向右的外扰动，带位置负反馈的永磁偏置径向磁轴承系统， 其转予通过控制器控制励磁绕组中的电流，调节气隙磁通的大小，始终能保持转予在平 衡位置删。 2 4 磁轴承的吸力方程 盯j 一永磁偏嚣径向磁轴承磁极是刘称的八极布置，磁路结构棚互对称，比较简单， 沈阳h 止大学硕i 学位论文 为了分析方便，可以认为永磁磁路和控制磁路之问相互独立，不存在两者的耦合问题。 研究磁轴承时，在只考虑气隙磁通均匀，忽略铁心磁阻、漏磁及涡流损耗等情况下，假 设转子在外力作用下向x 轴正方向移动了位移2 x ，向y 轴正方向移动了位移、，三v ， 下面根掘电磁铁吸力公式推导电磁吸力与位移和控制电流之问的关系。 永磁体产生的磁通在四个方向是对称分布的，大小相等。一般硅铁材料的饱和磁感 应强b 。= 1 5 t ，为了让气隙磁通工作在线性区域，设计时常取b 。：0 6 ( ) 刚。偏嚣磁 通等于最大磁通的一半，所以本设计取永磁产生的磁通为b 。= 0 4 。1 、。由于气隙的变化 远小于永磁体的厚度，故可以认为这部分磁感应强度大小是不变的，方向都是指向转 子。 b = b 。，! = b m = b 。j = b 。 由于线圈a 、c 是串联在一起的，。= ，l 故线圈a 、c 产生的磁感应强度为 b | “= 一日“= 互否舞 民= - b 4 = 蒜筹焉 o n i 。 2 ( 占。o + - x ) 一p o n i 。 2 丽一 线圈1 ) 、d 是串联在起的，。= ，故线圈b 、d 产生的磁感应强度为 廖。= 一b 。= j 否j 慧 口”= 一曰，。= 互否熹 每个气隙f 的电磁吸力( 方向指向转子) 分别为 一n n i 2 ( 4 ，+ ， ) 一越o n ih 2 ( a 。一y ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 j 沈期1 业入学硕 + 学位论文 f = 丽 j l ! s = 如，蝎。均l ) 二= j 洳+ 酊1 0 n i 矿, 2 ( 胁7 7 7 y ) 二( n 。) = 瓦b ；s = 去( 氏帆蚺，_ ) ! = 去l 一丽p o n 习i , , 一群甜饵 e = 筹= 去。岫。坞= 去b 一丽i t o n 习i i k 大学硕士学位论文 尹= 丘，+ r 、+ 只、+ 只，= 了1 2 、f l + + e 一酊 ( 2l d ) 把、五、的表达式代入化简有： 只= 去卜可4 t * o n i h 厂b6 【, + 等等+ 端卜池，j ， 弘击 _ 掣笋+ 笔署+ 黼卜泣，印- 2 瓦r j 厂+ 飞i 丁+ 阿了网f 7 u “。 当x 玩、y 6 0 时，x 2 、y2 项可忽略，于是进一步化简有 耻嵩 p o n t ( ”枷，- 2 i h b , , , i f = 嚣 p o 秽n i , ( “垆z 。， 7 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 以卜情况都没有考虑在平衡位置时重力的作用，也就是说认为不加任何控制电流时 转子处于平衡位置。f 面根据实际情况考虑进去重力的影响，而联为了抵消重力的作 用，在初始状态时，加一个控制y 方向的初始电流，。于是得到平衡位置的条件： i x = y = 0 ： c = 0 ； lf 4 - m 鼻= 0 根据以一f 两个条件可求得初始电流，。值为 一1 6 ( 2 i q ) 沈t 业大学坝j 学化论文 ，：型l “, , f f n s b 。， 因此考虑了平衡时重力影响之后的x 方向和y 方向合力表达式为 f 。= 舞 趟掣眠“川 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) = 篙州协一“力+ 鬻以协川，一警 i 只= 卜嵩 警t i o x + 1 , , x + l b y 珈o + ，j 既p z z ， = 隧“l o x + l , x + l h y ，一警l ， 2 _ 5 磁轴承系统参数设计 2 5 1 结构参数计算 磁轴承主要结构参数：d ：转子内径；d ：转予外径；d ：定子内径；d 、：定 予中径；d 、：定子外径：磁极宽度；c ：磁轭宽度；：定子叠片厚度；占：定 子与转子问的气隙；s 。，：永磁体截面积；。，：永磁体厚度。 图2 8 是径向磁轴承的主视图和左视图。在图中标出了磁轴承主要形状参数。当我 们求出这些主要的参数值后，就可以根据这些值求出所有的相关数据。 为了减小涡流损耗，磁轴承的定子、转子采用厚度为0 5 r a m 硅钢片叠制而成。 ( 1 ) 气隙处磁感应强度的设计 一般硅铁材料的饱和磁感应强度约为1 5 t ，没计时常耿口、= ( ) 6 ( ) h ，r 。本设计取 d b 。= 08 t ，偏置磁感应强度8 。= ：上= o 4 t 。 沈川t 业大学埘i 扣单位论文 图2 8 磁轴承结构设计示意圈 ( 2 ) 磁极面积的计算 根据最大承载力的公式。：2 x 拿曼，本设计取磁轴承的最大承载力为】o o n 2 o 可以求得磁极的面积为： s ：丘掣生：! 塑! ! 苎：型。2 0 0 m r n !( 2 2 3 ) b 。2 o 8 1 ( ： ) 气隙长度的选取 当气隙瓯增大时，产生同样大小的气隐磁感应强度，电磁铁所需的安匝数，就增 大，这样需要增大绕线的空间，其优点是机械加工精度相对来说要求不高，但磁轴承的 体积和重量会增加；如果减少d ，虽然安匝数m 减少，但要求更高的加工精度。因 此，在= 程上， 般取氐= 0 1 j i 【j 【】l l l m ，转子的直径小时瓯相对取小值。本设汁 取为0 j 1 2 1 1 1 1 。 ( 转子直径 沈mi 业大学碳卜学位论文 由j 二高速电机的磁轴承的转子会随高速电机作高速转动，磁轴承的转子有 ；! 大惯性 离心力作用。磁轴承的转子的直径( 只受惯性离心力作用下材料强度的限制，丽在材料 力学中，材料的强度和转速之间的关系可表示为 j = 口v 一( 2 2 4 ) 其中p 表示材料的密度，硅钢片的密度为7 8 0 0 k g m 3 ，s 表示材料的强度。查阅资 料可知，硅钢片的强度为3 1 0 1 0 6 n m ! ，从而可以确定转子的最大直径d 0 0 6 3 m 。 本设计取转子内径( i - 1 6 r a m ，转子外径d = 2 3 r a m 。 ( 5 ) 定子铁芯内径凸、中径d z 、外径聩 在确定转子外径d 之后，根据定子铁芯内径凸与气隙氐之间的关系有： d = d + 2 8 0 = 2 4 m m 磁极高度的取值应满足绕组的窗口面积：初选时可选h = 8 m m 定子铁芯中径：d ，= d + 2 h = 4 0 r a m 磁轭宽度c 的值应根据加工工艺要求和铁磁材料的非饱和性来取，本设计取 c = 5 r a m 。 定予铁芯外径：d ：= d ，+ 2 c = 5 0 r a m ( 6 j 定子铁芯的厚度上s 为定予磁极的面积，上为定子磁极的宽度，0 根据式 ( 2 2 3 ) 已经确定，l 取为1 0 m m ，则定子铁芯的厚度为； 卜薹= 面2 0 0 = 1 0 m m ( 2 2 5 ) ( 7 ) 永磁体尺寸设计( 包括面积s 。和厚度l 。) 永久磁铁是提供偏置磁场的磁势源( 或磁通源) ，它真接影响剑磁轴承的静、动态特 性。【j 于永久磁铁本身磁特性之洲的关系比较复杂， 大la l l 永磁偏嚣磁轴承的磁路分析比 i 堕堕：坠兰里! ! 兰f 燮一一一 较复杂。 永磁体对外提供的磁动势f ，与所选的永久磁铁去磁姑线有关。为了设计结构紧 凑，重量轻的磁轴承，通常选取高饱和磁感应强度的永久磁铁。当所选的材料为钕铁硼 时，则去磁曲线接近于直线”蛆i ，如下图所示： 满足如下的关系式 退磁曲线 、 、，7 ， ， k m ) 7 h 图2 9 永磁体退磁曲线和负载曲线 ( 2 2 6 1 式中妒，为永久磁铁的剩余磁通：妒。为永久磁铁对外提供的磁通；f 为永久磁铁的 矫顽磁势；f 。为永久磁铁对外提供的磁动势。 又根据混合磁轴承的永磁磁路的基本方程： 丸= b s ( 2 2 了) f一 ，“：， 弘一f i i = f 丸 ，。，、，l 沈h 1 ：业人学坝l j 学位论史 在知道软磁材料的饱和磁感应强度玖后，再依据式( 1 2 ：0 计算出的s ，根据式 ( 1 2 7 ) 可以算 h 永磁体的外部磁路磁通一再由式( 1 2 6 ) 计算出f 一最后由式( 1 2 6 ) 计算出永磁体的娇顽磁势e 和永久磁铁的剩余磁通，a 知道t 和，后再由下面两式可以确定永磁体的几何尺寸。 ( 2 2 8 ) 式中：厂一磁阻系数，f = 1 1 1 5 ： o - 一漏磁系数，o - = 2 1 0 ； b ，一永磁体的剩余磁感应强度，单位为t ； h ，一永磁体的娇顽力，单位为k a m ； l 。，一永磁体的长度，单位为m ； s 。一永磁体的截面积，单位为1 t i 2 。 本设计选用性价比高、剩磁大的钕铁硼永磁材料，牌号为- - 2 6 r 1 1 i ，具体参数 为：b ，1 1 4 1 1 7 i ，8 t ：t 8 8 tk a m ，设计取b ，= 1 15 1 ，。= 8 6 0 k a m 。根 据以上公式可分别求得： = 警= 嘴掣u 趔。a o 斗丌x l 丸= b s = 0 4 x 2 0 0 = 8 0 f = 2 ，j ，= 2 3 2 0 = 6 4 0 a 痧= 兰= 而8 0 x 面6 4 0 刊e 。 1 , 5 一x 6 4 0 一l 2 l n n l 8 6 0 仍一皿咄一e i l = 只 ，、lll 沈阳丁业大学硐i 学位i = 彦文 一。= 警= 等锄嘶1 2 5 2 电气参数计算 混合式磁轴承电气参数有：