主动磁悬浮轴承（精选6篇）
主动磁悬浮轴承 篇1
0 引言
主动磁悬浮轴承是一种通过可控电磁力实现对转子非接触支承的新型轴承, 其主要特征是通过一套闭环控制系统使转子稳定悬浮于定子磁极中心[1], 因此主动磁悬浮轴承工作时需要实时测量转子的位移。随着主动磁悬浮轴承应用范围的逐步扩展, 其可靠性也变得越来越重要, 包括传感器故障在内的主动磁悬浮轴承所特有的一些故障已经成为这种新型轴承广泛应用的一大障碍[2,3]。
目前, 有很多学者研究了提高主动磁悬浮轴承位移传感器可靠性的方法。Kim等[4]在主动磁悬浮轴承上额外安装力传感器, 通过分析位移传感器信号和力传感器信号来判断位移传感器工作是否正常。Montie等[5]针对一个八极磁路耦合的径向磁悬浮轴承, 采用自传感方案来提高位移测量系统的可靠性。Ll
大多数主动磁悬浮轴承都采用涡流位移传感器[7,8,9,10]。为了增加位移传感器的测量范围、提高位移传感器的线性度, 主动磁悬浮轴承常常采用差动式位移传感器。差动式位移传感器在每个自由度上安装有2个位移传感器 (以下分别称为传感器1和传感器2) 来同时检测转子的位移。本文针对采用差动式位移传感器的主动磁悬浮轴承系统, 提出一种基于离散傅里叶变换的位移传感器故障识别方法。采用该方法不需要增加额外的硬件即可实现位移传感器的故障诊断与识别。
1 主动磁悬浮轴承的工作原理[11]
图1是采用差动位移传感器的单自由度主动磁悬浮轴承原理框图。图1中, C (s) 为控制器传递函数, Ki为磁悬浮轴承的电流刚度系数, G (s) 为转子模型, Ks1和Ks2分别为传感器1和传感器2的增益, r为参考输入, F为转子所受的干扰力, d1和d2分别为施加在传感器1和传感器2上的干扰信号 (分别用来模拟传感器1和传感器2的故障) , V1和V2分别为传感器1和传感器2的输出信号, uc为控制器的输出信号。
根据图1可以求出两传感器的输出信号和故障信号、干扰力之间的关系:
(1)
Δ= (Ks1+Ks2) KiC (s) G (s) /2
T (s) =Ks1Ks2KiG (s) C (s)
2 位移传感器故障检测
根据式 (1) 可以推导出两位移传感器输出信号的差值:
设两个位移传感器的特性完全一致, 即有
Ks1=Ks2=Ks
则式 (2) 可简化为
Vd=Ks (d1-d2) (3)
从式 (3) 可知:当2个位移传感器的特性完全相同时, 2个位移传感器输出信号的差值只和传感器故障有关, 此特征可以用来检测传感器的故障。只要Vd不为零, 就表明某个传感器有故障。为了达到此目的, 本文对Vd进行离散傅里叶变换, 如果变换结果在所有频率处的幅值均为零, 则说明没有传感器发生故障;否则, 说明某个传感器发生故障。
3 基于傅里叶变换的故障位移传感器识别
从式 (3) 可知:2个传感器中任一个发生故障都会导致Vd发生变化, 从而导致Vd的幅频特性发生变化, 因此通过检测Vd的幅频特性尽管可以发现传感器有故障, 但却无法确定哪个传感器有故障, 必须通过其他方法进一步识别故障传感器。
根据图1所示的系统可以推导出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:
从式 (4) 可知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
则式 (4) 简化为
uc=ucs+ucf
本研究的目的是为实现主动磁悬浮轴承位移检测系统容错控制提供基础, 容错控制要求2个位移传感器中至少有1个可以正常工作, 因此本文假定同一时刻只有1个传感器发生故障。根据该假设, 当传感器1失效时有
(7)
当传感器2失效时有
(8)
将式 (7) 代入式 (5) 可得
将式 (8) 代入式 (5) 可得
式 (9) 和式 (10) 可以统一为如下形式:
其中, n=1, 2, 分别对应传感器1故障和传感器2故障。
从式 (11) 可知:如果传感器1发生故障, 则ucs和Vd的比例系数是负值, 二者之间的相位差为180°;如果传感器2发生故障, 则ucs和Vd比例系数是正值, 二者相位差为0°, 因此通过分析ucs和Vd的相位关系就可以确定发生故障的传感器。本文采用离散傅里叶变换分析2个信号之间的相位关系[12]。从式 (4) 可知ucs隐含在uc中, 无法直接测量, 因而也无法直接求出uc的频谱。如果首先对Vd进行离散傅里叶变换, 根据Vd的幅频特性确定干扰信号的频率, 然后再对uc进行离散傅里叶变换, uc的频谱中对应干扰频率的成分即为ucs, 针对干扰频率分析Vd和uc的相位差即可检测出故障传感器:如果二者的相位差为0°, 则说明传感器2发生故障;如果相位差为180°, 则说明传感器1发生故障。
4 仿真分析
为了验证上述理论分析结果, 本文以单自由度主动磁悬浮轴承为研究对象, 采用MATLAB对所提出的传感器故障识别算法进行仿真, 仿真原理如图2所示。图2中, 对转子施加一个幅值为200N、频率为300Hz的正弦干扰力来模拟转子在转动过程中的离心力, 对传感器施加一个幅值为1V、频率为100Hz的正弦干扰信号来模拟传感器的故障。干扰力从仿真开始即施加于转子, 故障信号在仿真时间1s时施加于相应传感器。当故障信号施加于传感器1时, 传感器差值信号及控制器输出信号的频谱随时间变化的趋势如图3所示 (1s时发生故障) 。从图3a可知:在传感器1未发生故障时, 传感器差值信号为0, 其频谱亦为0;当传感器1发生故障时, 传感器差值信号对应故障信号频率100Hz处出现一个尖峰, 由此可以确定传感器已经发生故障。从图3b可知:在传感器1未发生故障时, 控制器输出信号频谱只有在干扰力频率300Hz处有一尖峰;当传感器1发生故障时, 控制器输出信号的频谱中对应故障信号频率100Hz处也出现一个尖峰。
传感器1差值信号和控制器输出信号在故障信号频率100Hz处的相位差随时间的变化趋势如图4所示 (1s时发生故障) 。从图4中可以看出:在传感器出现故障之前, 传感器1差值信号和控制输出信号在100Hz处的相位差不固定, 当传感器1出现故障之后, 二者在100Hz处的相位差稳定在180°。
把相同的故障信号施加于传感器2时, 传感器差值信号及控制器输出信号的频谱随时间变化的趋势如图5所示 (1s时发生故障) 。对比图3和图5可知, 两种情况下传感器差值信号及控制器输出信号的频谱变化规律完全相同。
传感器2发生故障前后传感器差值信号和控制器输出信号在故障信号频率100Hz处的相位差随时间的变化趋势如图6所示 (1s时发生故障) 。从图6中可以看出:在传感器2出线故障之前, 传感器差值信号和控制输出信号在100Hz处的相位差不固定;当传感器2出现故障之后, 二者在100Hz处的相位差稳定在0°, 这和上述理论分析结果是一致的。
5 试验研究
在仿真试验结果和理论分析一致的基础上, 本文又在一个五自由度主动磁悬浮轴承试验台进行了试验研究。试验台原理如图7所示, 试验台实物如图8所示。
该试验台的机械部分由2个径向磁悬浮轴承、1个轴向磁悬浮轴承以及1个高速电机构成。2个径向磁悬浮轴承控制转子的4个径向自由度, 选择其中1个径向自由度作为对象进行研究。文中采用信号发生器对传感器施加干扰的方法来模拟传感器的故障。
转子以300Hz转动时, 传感器1发生故障前后传感器及控制器的输出信号在时域和频域的变化趋势分别如图9～图11所示。转子以300Hz转动时, 传感器2发生功能受损性故障前后传感器及控制器输出信号在时域和频域的变化趋势分别如图12～图14所示。从图9和图12可以看出:传感器发生故障后, 两传感器的信号和控制器的信号幅度均突然增大, 但信号仍然在正常范围之内, 因此无法通过直接检测法来确定故障传感器。对比仿真结果和试验结果可以看出, 试验结果和仿真结果一致。对比图11和图14可以看出:虽然对2个传感器施加的干扰信号完全相同, 但是传感器差值信号和控制器输出信号的频谱并没有像仿真结果一样完全相同, 这是因为仿真试验时2个传感器的性能是完全相同的, 而实际中2个传感器的性能总会有一定差异, 这些差异造成二者的频谱不完全相同, 但是这并不影响该方法结果的正确性。
1.传感器信号 2.控制器输出信号
1.传感器信号 2.控制器输出信号
6 结论
本文针对采用差动式位移传感器的主动磁悬浮轴承系统, 推导了控制器和传感器的信号与转子干扰力及传感器故障信号之间的传递函数, 并由此分析了在不同传感器发生故障时控制器的信号以及传感器差值信号和故障信号之间的关系, 并得到如下结论:
(1) 如果2个传感器均正常, 则2个传感器的差值信号均为0;任一个传感器发生故障, 则2个传感器的差值信号均会随之增大。
(2) 如果传感器1发生故障, 则两2个传感器的差值信号和控制器输出在故障信号频率处的相位差为180°。
(3) 如果传感器2发生故障, 则2个传感器的差值信号和控制器输出在故障信号频率处的相位差为0°。
提出可以通过分析2个传感器差值信号的幅频特性判断传感器是否发生故障, 进一步分析2个传感器差值信号和控制器信号在干扰频率处的相位可判断出到底是哪个传感器出现故障。为了检验该结论是否正确, 首先采用MATLAB对该传感器故障识别方法进行了仿真, 并在一个五自由度主动磁悬浮试验台上对该方法进行了试验。试验结果表明, 当转子以18 000r/min旋转时, 采用该方法可以准确检测到传感器的故障并识别出故障传感器。
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主动磁悬浮轴承 篇2
主动磁悬浮轴承 (AMB) , 又称电磁轴承, 是综合了机械设计与制造、转子动力学、电磁学、自动控制理论和计算机原理的典型机电一体化产品[1]。和普通轴承相比, 其具有转速高、寿命长、耐磨损和无需润滑的优点, 被称为未来最有潜力的轴承[2]。瑞士联邦学院Schweitzer教授, 在第四届国际磁悬浮轴承会议上指出主动磁悬浮轴承技术将会引领支承技术的革命, 他认为主动磁悬浮轴承技术将会被越来越多的工程领域所接受, 特别是军工和航天技术[3]。在实际应用中, 主动磁悬浮轴承转子的不平衡和定子线圈缠绕不均问题是不可避免的, 其中转子的质量不平衡对系统影响最严重。能投入实际应用的主动磁悬浮轴承, 必须在其转速范围内运行可靠, 并能够通过控制器的调整使转子的振动迅速恢复到合理范围内[4]。针对转子的质量不平衡问题, 文献[5]提出了以最小为目标函数的方法, 文献[6]研究了H∞控制方法, 文献[7]采样分散PID控制加系统辨识的方法。但将专家控制方法应用于主动磁悬浮轴承控制中, 还未见有人研究。本文通过专家控制方法, 根据转子不同转速采用不同的控制器, 建立了主动磁悬浮轴承的分工况智能PID专家控制系统, 使主动磁悬浮轴承控制系统具备一定抗干扰和抗积分饱和的能力。
专家控制方法 (Expert Control Strategy) 是智能控制的一个重要分支, 其概念是由瑞士学者K.J.Astrom于1983年首次提出[8]。1977年, 美国斯坦福大学成功研制出血液感染病诊断专家控制系统 (MYCIN) , 是专家控制方法从理论到实践应用的重要标志[9]。目前, 专家控制方法已经广泛应用于地质勘探、军事、医疗诊断等领域, 如文献[10]将专家控制方法应用于低速风洞控制中, 文献[11]将专家控制方法与PID控制器结合实现超声马达的控制, 文献[12]建立了应用于阳离子浮选过程的专家控制系统和文献[13]将专家控制方法成功应用于农业领域等。
1 主动磁悬浮轴承系统模型
主动磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮在磁场中, 使轴承定子和转子之间无任何直接的物理接触, 实现转子在稳态位置悬浮[14]。主动磁悬浮轴承控制系统主要包括控制器、功率放大器、位置传感器、磁悬浮轴承的定子和转子, 如图1所示。根据图1知, 主动磁悬浮轴承控制器输出的矫正信号经过功率放大器变成电流, 以差动方式驱动电磁铁产生电磁吸力, 强迫转子恢复到稳态位置[15]。
当外部干扰使转子产生向下的偏移量y1时, 这时转子与上电磁铁之间的气隙为 (y0+y1) , 与下电磁铁之间的气隙为 (y0-y1) 。为了抵消外部干扰, 控制器输出的矫正信号经过功率放大器产生流过上电磁铁的电流 (i0+iy1) , 下电磁铁线圈的电流 (i0-iy1) , 其电磁力分别为:
式中:μ0为真空磁导率;A为磁极横截面积;i0为当转子位于稳态位置时的偏磁电流;N为主动磁悬浮轴承线圈匝数;y0当转子位于稳态位置时的气隙;α磁极夹角。
得到垂直方向上的磁合力Fy为:
将式 (2) 在稳态位置Taylor展开, 忽略非线性项得
其中:ki为电流刚度系数, 它反映主动磁悬浮轴承控制电流变化与电磁力之间的关系;ky为位移刚度系数, 它反映主动磁悬浮轴承转子位移变化与电磁力之间的关系[16]。
2 分工况智能PID专家控制方法
根据主动磁悬浮轴承的工作特点, 将其转速工况分成:低转速模式SV (0~1500 r/min) 、中转速模式MV (1500~6500 r/min) 和高转速模式BV (6500~9000 r/min) 。在每一种转速工况下, 又根据转子与电磁铁之间的气隙划分为:大气隙模式BE (0.3~0.4 mm) 、中气隙模式ME (0.1~0.3mm) 和小气隙模式SE (0.0~0.1 mm) , 如表1所示。
2.1 预整定参数
预整定参数是在不同转速工况转子振动设计要求下, 根据轴承转子悬浮动态特性趋势, 得到PID控制参数KP、Ki、Kd, 作为专家控制方法对控制器参数在线调整的初始参数[17]。本文采用扩充临界比例放大系数法进行参数预整定, 以临界放大倍数KU和临界周期变量TU为变量, 得到一组预整定参数如表2所示。
2.2 控制规则的搭建
控制规则是分工况智能PID专家控制的核心, 下面以中转速模式MV下的三进行说明。令eM (k) 表示在中转速模式下离散化的t=k T时刻的偏差值, T为采样时间, eM (k-1) 、eM (k-2) 分别表示t= (k-1) T和t= (k-2) T时刻的偏差值, 得:
在MVBE模式下为实现控制器输出快速跟踪的偏差信号, 迅速调整偏差。当检测偏差绝对值|eM (k) |>0.4 mm时, 说明转子位置信号发生“跳变”, 实施开环控制, 即控制器输出按定值输出, 以迅速调整偏差, 即
防止积分饱和现象发生, 只有在e (k) <0.05 mm, 即MVSE模式, 说明偏差绝对值足够小, 此时引入积分, 减少静态偏差, 提高系统的准确度, 控制器输出为
其中, Kp、Ki、Kd分别为PID控制器的比例、积分、微分参数。
在MVME模式下, eM (k) ΔeM (k) >0时, 说明转子在朝远离基准位置方向运动。控制器实施较强的控制作用, 以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化, 并迅速减小误差的绝对值;当e (k) Δe (k) ≤0时, 说明转子在朝基准位置方向运动, 或者已经达到平衡状态。此时, 控制器实施较弱的控制作用。
2.3 转子轴心轨迹的提取
转子轴心轨迹是指旋转机器在一定的转速下, 因为转子不平衡和不对中引起的回转中心涡动运动的轨迹。根据文献[18]和文献[19]的研究知道, 转子轴心轨迹往往包括着转子各种各样的运动信息。例如轴心轨迹则呈椭圆形, 在不对中方向上加一个中等负载, 轴心轨迹变为香蕉形;严重不对中故障会使转子的轴心轨迹图呈现外“8”字形等。
3 试验结果
本设计以600 Wh飞轮储能径向磁悬浮轴承为仿真和实验对象, 飞轮储能是利用高速旋转的飞轮转子存储能量的惯性储能装置, 由飞轮转子系统、支承系统、控制系统、能量转换系统和辅助系统等部分组成。试验在室温环境下进行, 信号的屏蔽方式采用铠装电缆, 基础安装方式为地脚螺栓。驱动电流和转速、振幅关系如表3。转子轴心轨迹如图2、图3、图4, 单位为mm。
4 结论
本文提出了一种用于主动磁悬浮轴承控制的实时分工况智能PID专家控制方法, 是对主动磁悬浮轴承智能控制技术一次尝试。实验结果表明, 通过轴心偏差和转子转速来进行实时进行分工况控制是完全可行的。在大偏差工况下, 实施近似开环控制;而在小偏差下, 实施闭环控制。
由表3可知, 驱动电流与转子的转速成线性变化, 当驱动电流不断增大时, 转子的转速不断提高;当驱动电流增大时, 转子的振动幅值由大变小, 这就说明转子在低转速下的振动较大, 当转速升高到4000 r/min时, 转子的涡动情况比较稳定, 振动幅值变化也比较稳定。
由轴心轨迹图可知, 轴承转子振动幅值在0.20 mm上下, 小于保护轴承单边气隙值0.4 mm, 所以不会发生碰摩现象, 此时磁轴承轴心轨迹均是长短轴相差不大的椭圆, 可以表明转子在工作转速下的振动是相对稳定的。
摘要：针对电磁力支撑的轴承转子因加工精度影响存在不平衡及定子线圈缠绕不均匀, 导致相同PID控制参数不同转速下, 支撑效果不一的问题, 提出一种应用于主动磁悬浮轴承的分工况智能PID专家控制方法, 使主动磁悬浮轴承控制系统具备一定抗干扰和抗积分饱和的能力。根据主动磁悬浮轴承的工作特点, 将其转速分成若干区间, 对每一个区间参数预整定, 通过专家控制方法实现对控制器参数在线修正。以600Wh飞轮储能径向磁悬浮轴承为实验对象, 提取的转子轴心轨迹表明:由于在控制器设计时考虑了转子不平衡和定子缠绕不均对系统的影响, 系统具有较好的动态和静态特性的同时提高了系统抗干扰能力。
磁悬浮推力轴承双闭环模糊控制 篇3
1 磁悬浮推力轴承系统
磁悬浮推力轴承是用来控制磁悬浮系统中转子轴向位移的，及时校正转子的偏移。磁悬浮推力轴承由两个线圈缠绕的电磁铁作为定子，一个推力盘作为转子，在转子的一侧放置位移传感器，当转子偏离平衡位置时，由位移传感器检测出偏离平衡位置的位移并与平衡位置进行比较得到位移误差信号，将此信号输入控制器计算出转子回复到原平衡位置所需要力的大小的信号，经过D/A转换电路、功率放大器转换成电流或电压输出，最终使执行电磁铁产生相应的电磁力，使转子回复到平衡位置，从而实现转子的稳定悬浮。
磁悬浮推力轴承运动方程[2]：
x为转子偏离中心位置的位移;S为电磁铁内外环面积;δ为平衡位置时推力盘与左右侧电磁铁的间隙;I0为线圈的偏置电流;μ0为真空磁导率;N为线圈匝数;i为转子偏离时上侧线圈中增加的电流或偏离下侧线圈时减小的电流,当转子偏离上侧线圈或偏离下侧线圈时的气隙分别为:δ-x和δ+x。设定上侧线圈方向为正,下侧线圈方向为负,当转子偏离上侧线圈时,上侧电磁铁中的电流增加以增大所需的电磁力为F1,当转子偏离下侧线圈时,下侧电磁铁中的电流增加以增大所需的电磁力F2。假设x<<δ、i<
2 磁悬浮推力轴承系统分析
磁悬浮推力轴承传递函数图如图1所示。
观察传递函数发现不加任何控制方法的磁悬浮推力轴承系统是不稳定的。对系统传递函数中的参数赋值，转子质量m=1.5 kg，稳态时的气隙δ=0.3 mm，气隙截面积S=10 cm2，线圈匝数N=940，线圈偏置电流I0=0.4 A，经仿真实验可得kx=8 795 857 N/m,kz=3 298 N/A。则传递函数近似为：。用上述参数搭建实验平台，在未加任何控制方法的情况下对系统的位移进行采样，实验位移曲线如图2所示。
为使系统稳定运行必须要加以适当的控制环节使系统稳定。
3 双闭环模糊控制
模糊控制是基于模糊推理、模糊数学同控制理论相结合的一种控制。模糊控制可以克服多变量间的强耦合和调节过程中的时间滞后。从理论分析和数学推导角度揭示和证明模糊控制系统的鲁棒性优于常规控制策略。
磁悬浮推力轴承系统是个不稳定系统，要对其进行控制并达到稳定运行的必要前提是要这个系统成为一个稳定系统，再进一步提高其系统品质。因此本文将模糊控制和传统控制方法相结合，采用的是双闭环模糊控制方法对磁悬浮推力轴承进行控制，使系统稳定并且改善了实际应用中由于电流滞后引起的调节时间滞后问题。
理论传统控制中系统稳定的必要条件可知，其调节电路应包含比例项和微分项，即采用PD调节电路。PD控制器中的微分控制规律，可增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性[3]。
式中KP为静态比例系数，KD为静态微分系数。
以分离点、会合点在原点为临界稳定条件：
式中D(s)为闭环特征方程;N(s)为零点方程。
此时从系统的根轨迹发现零极点全都在左半平面，证明系统稳定了。在此基础上再加上一个外环的PID调节，因为积分系统可以消除系统的稳态误差，是系统具有更好的稳定效果。
将所取参数模糊化，将转子气隙等分为3份，取模糊量：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)[4]。在此我们规定只有NB和PB对系统有影响。当转子在NB或者PB范围内，立即给转子一个相反的最大力把转子推往平衡位置，周而复始让它稳定运行并且加快了调节速度。
调节过程都需要时间，如果在这个时间内控制不住就有可能会不稳定了，因此利用了模糊控制的鲁棒性，此模糊控制和双闭环控制相结合，系统的稳定特性更好和调节时间更快。双闭环模糊控制框图如图3所示。
双闭环模糊控制仿真位移曲线如图4所示。
经仿真可以看出未经调节的磁悬浮推力轴承系统是一个震荡系统，经过双闭环模糊控制调节之后具有较好的控制效果，且仿真发现调节稳定时间很短，符合实际应用的要求。
4 结语
针对磁悬浮推力轴承系统的不稳定性直接造成它不能稳定运行，非线性又导致单纯的传统控制很难达到很好的控制效果。依据这些特点提出了双闭环模糊控制，通过仿真验证了此控制方法的可行性。在实验中还要根据所搭设的实验平台参数不同，其采样和放大电路的结构不同，来改变控制方法中的参数，亦可引进其它的先进策略如自适应控制、模糊控制等，以取得更好的控制效果，提高系统整体的稳定性。本文没有考虑组件之间的电磁耦合，也没有考虑系统高速运转时候的情况。
摘要：针对磁悬浮推力轴承系统上的不稳定性和非线性化的特点,利用经典控制理论对其进行分析,提出了传统控制和模糊控制方法相结合的双闭环模糊控制。经仿真证明,双闭环模糊控制取得较好的控制效果,使磁悬浮推力轴承系统保持稳定性的同时克服了以往调节时间滞后的问题。
关键词：磁悬浮推力轴承,双闭环控制,模糊控制
参考文献
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磁悬浮径向轴承的三维有限元分析 篇4
磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。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和转子动力学的发展, 磁悬浮技术得到了很大的进步。尤其在磁悬浮轴承和磁悬浮列车方面有了长足的进展, 而应用最广的是磁悬浮轴承。在节能方面, 磁轴承是其他任何轴承无法比拟的。磁轴承的能量损耗比一般的机械轴承 (滚动轴承和液体轴承) 平均低10～100倍左右[1,2,3,4]。
在对磁力轴承进行结构优化和控制系统设计时, 通常采用简化磁路算法, 即忽略漏磁, 忽略定子铁心与转子的磁阻, 认为磁势全部降落在设计工作气隙上, 且该气隙磁通密度均匀, 以便在此基础上按一维问题进行理论分析导出计算公式[5]。显然, 上述方法对于铁磁材料非线性磁化特性的影响、漏磁效应及边缘效应等无能为力, 也无法给出磁场的分布状态, 必然导致对磁力轴承的特性和结构参数分析不够全面。因此, 采用更为准确的场论分析方法对深人研究磁力轴承的特性很有必要。有限元分析法就是场论方法中较为常用的一种数值计算工具, 它在解决非线性、多媒质、形态复杂的电磁场间题方面十分有效, 而ANSYS则是功能强大的有限元分析软件。文献[6]用ANSYS研究的径向磁力轴承是将它简化为二维平面问题, 这里尝试用三维立体建模分析径向磁力轴承。
1 径向磁力轴承电磁场的分析
轴承参数如下[7]:线圈n=144 (每极柱72匝) , dW=1.45 mm (导线标准直径) , 单边气隙0.3 mm, 槽满率为0.7, 加载电流密度为2.4×106 A/m2, D0=130 mm, D1=100 mm, D2=60.6 mm, t=11.8 mm, h=16.5 mm, b=90 mm。具体参数如图1所示。
ANSYS求解[8,9]由于轴承结构关于轴线对称, 按1/4建模[10], 如图2所示。
(1) 过滤图形用户界面, 定义分析名称;
(2) 定义单元, 选用SOLID117单元;
(3) 定义材料性能;空气磁导率为1, 定子与转子是铁磁材料, 输入其BH曲线;轴 (材料为45钢) 与线圈磁导率为1。
(4) 划分网格, 用MESH工具划分网格, 精度3级, 如图3所示。
(5) 这里使用单元边法进行分析, 因为这种方法是把电流源作为了模型整个网络一部分, 计算面广, 而且它对静态、谐性、瞬态均可分析。单元边法中只用SOLID117单元。由于要分析近场空间分布, 故在电路模型周围罩上空气, 如图4所示。
(6) 加边界条件 (考虑漏磁, 以空气罩外侧为零磁势边界) , 在加载前, 先要给导体两端边界施加平行边界条件, 其他为默认的垂直边界条件。加载时, 将在场路耦合分析中得到的电流值依据各导体几何尺寸转化为电流密度JS, 加载电流密度 (体密度) , 并求解。
(7) 后处理。在通用后处理器POST1中查看加载瞬间的磁场、磁力线、电磁力, 如图5～图8。
2 绕线方式不同对电磁径向轴承的磁场分布
电磁径向轴承一对磁极上的绕线方式有两种, 同方向和异方向。根据这两种绕线方式作仿真, 结果如图9, 图10所示。
3 仿真结果分析
由于整体图形与1/4图形的各具体参数几乎没什么差别, 为了清楚起见, 这里不再罗列整体图形。
根据图5～图8可以得出如下结论:
(1) 磁力线大部分集中于磁极及其对应的转子部分;
(2) 磁极之间相互有磁耦合, 可以采取一种新结构减少磁耦合, 即将磁轴承的磁轭按磁极对等分为四部分结构, 切断磁耦合路径;
(3) 定子和相应的转子部分所构成的局部磁场都不是均匀分布的。其中定子磁极极柱上的磁感应强度在整个磁场中为最大 (磁极极柱上的磁感应强度在1.1～1.3 T, 与文献所提及的基本一致) , 设计轴承时应把磁极极柱的磁导率设计为最大;
(4) 径向磁力轴承存在漏磁, 图中有三方面的漏磁, 一是, 向线圈中泄漏 (磁场强度大约0.5～0.7 T) ;二是, 通过转子向主轴轴芯泄漏 (磁场强度约在0.18 T以下) ;三是, 向空气中的漏磁 (比轴芯处更小) ;
(5) 气隙中的磁力线最密、磁场最大;
(6) 由于磁极结构的对称性, 各磁极的电磁力相等;
(7) 磁力轴承的悬浮力大小几乎处处相等;
(8) 就绕线来说, 同方向绕线磁场比异方向磁场均匀得多。
摘要：应用ANSYS 10.0软件对磁悬浮径向轴承进行三维有限元仿真与计算分析, 得出磁悬浮径向轴承磁力线、磁感应强度和电磁力在轴承中的分布。最后根据磁轴承线圈的两种绕线方式分析其磁场, 并据此分析径向磁力轴承的几个特点, 为径向磁悬浮轴承的优化和控制系统的设计提供了一定的依据。
关键词：径向磁力轴承,电磁场,有限元分析,ANSYS
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浅谈磁悬浮轴承在工业中的应用 篇5
磁悬浮技术属于机电一体化高新技术, 是集电磁学、电子技术、控制学、机械学和动力学等多种学科交叉形成的技术。在电子技术、电磁学和相关理论不断发展的推动下, 磁悬浮技术得到了长远的发展。当前, 在全球范围内有关磁悬浮研究的焦点都集中在了磁悬浮轴承和列车上, 其中使用最多的就是磁悬浮轴承。早在100多年以前, 有关磁悬浮轴承的概念就被提了出来, 磁悬浮因自身具备无磨损、速度快、精确度高和密封好等特点, 受到了国内外的广泛关注, 相关科研工作者对其进行了深入地研究。
1 磁悬浮轴承的应用现状
因磁悬浮轴承自身具备多种特性, 所以有着良好的发展空间。例如在数控机床行业, 主轴和电动机转子融于一体的电主轴就是利用的磁悬浮轴承技术, 这可以分为气浮式、静压式和磁悬浮三种轴承。这三种电主轴都是在保证高速运转的前提条件下优化零部件的使用周期。特别是磁悬浮轴承电主轴, 该种设备具备转速快和使用周期长等特点, 使用是最为广泛的;再如, 在动力行业中, 磁悬浮轴承也应用到了离心压缩机、分子涡流泵和发动机等大型设备上, 取得了良好的效果。
1.1 在飞轮电池中的应用
磁悬浮飞轮属于机电一体化的高新科技产品, 它是在众多的技术和理论交叉中诞生的。例如机械学、电子学、电磁学、传感学和转子动力理论等。其中最为核心的技术是磁悬浮轴承组成和控制技术。磁悬浮轴承应用在飞轮电池中的主要作用就是保证快速运转的飞轮转子不偏离轨道, 所起到的作用与传统的电磁轴承并无两样, 但是在工作要求方面却是有着本质的区别。传统的电磁轴承主要承担外界对转子形成的径向和轴向力, 这两种力具有较大的变化范畴。而飞轮电池中的磁悬浮轴承, 所要承担的力主要是来自于转子本身的质量和离心力, 还有陀螺效应力。此外飞轮电池转子不需要进行精准的定位。磁悬浮轴承在飞轮中的方向除了受到电机控制以外, 还受来自其他方向自由度的控制。按照自由度数的不同, 磁悬浮轴承可以划分为单轴、两轴、三轴、四轴和五轴五种类型;按照磁性材料的不同又可以分为永磁电磁混合控制和纯电磁控制。
1.2 在电主轴中的应用
近些年来, 在数控机床上出现了将主轴和电机相结合的高新科技, 就是常用的电主轴。电主轴是当前高速加工的重要组成部分, 是由电主轴、变频设备、润滑装置、编码器和换刀装置等组成的一套组件。其中在高速电主轴中的核心技术就是高速轴承技术。在传统高速主轴中采用的机械轴承存在使用周期短的问题, 所以为了保证主轴在高速运转的同时延长使用周期, 进而研发了气浮式、静压式和磁悬浮式电主轴。特别是磁悬浮轴承电主轴, 不仅具备高速运转的性能, 同时也延长了该部件的使用寿命。随着电磁学、材料学和电子技术的不断发展, 面对磁悬浮轴承技术所带来的良好经济效益, 人们对磁悬浮轴承电主轴的研究更具热情。在国外, 该技术已经在不同国家上百个机床上进行了实验, 并取得了良好的成效。虽然在我国该技术还处于起步阶段, 但是已经取得了良好的成绩, 具有极大的发展潜力。
1.3 在多电发动机中的应用
多电发动机是未来航空研发的新概念发动机, 具有高性能和高推重比的特点。在多电发动机中最为重要的技术就是使用悬浮磁轴承代替了传统的滚动轴承。通过采用磁悬浮轴承, 能够去除传统发动机的传动和润滑系统, 优化了发动机的构架, 提高了发动机运行的可靠性, 减少了设备在运作和保养的支出。当前, 磁悬浮多电发动机已经成为了国际上制造先进发动机的重要高新科学技术。
2 磁悬浮轴承的发展方向
2.1 超导磁悬浮轴承
新研究的超导磁悬浮轴承具有体积小、质量轻的特点, 但是具有极高的承载性能。对超导磁悬浮轴承研究起决定作用的就是超导材料性能进展, 超导材料由于自身特性和加工工艺的限制, 还未得到广泛地应用, 有待进行进一步的研究。
2.2 无传感器磁悬浮轴承
通过将磁悬浮轴承与无传感器检测两项技术进行了结合, 从而研发出了全新的磁悬浮轴承———无传感器的磁悬浮轴承。该种轴承无需安装位置传感器, 只需要通过对电气回路内信号进行测量就能取得转子的位置信息。
2.3 稀土永磁材料的应用
随着对磁悬浮轴承研究的深入, 人们发现稀土永磁材料因自身轻巧的结构组成和低耗能具有极大的发展空间, 这必然可以打破离心力、磁饱和、磁滞等特性的约束。
3 结语
在发达国家, 磁悬浮轴承电主轴已经得到了推广与应用, 在科技水平不断发展下, 磁悬浮轴承电主轴的性能也不断地提升, 虽然在国内尚未实现推广, 但已经在航空航天、机床、动力等领域中得到了初步的应用, 取得了一定的效果。相信在不久的将来, 磁悬浮轴承电主轴技术必然得到进一步的突破。
摘要：磁悬浮轴承技术是一门集电磁学、电子技术、控制学、机械学等内容于一体的新技术, 在科技水平不断发展的今天, 磁悬浮轴承电主轴的性能也不断地提升。主要针对磁悬浮轴承的应用展开分析。
关键词：磁悬浮轴承,工业,应用
参考文献
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主动磁悬浮轴承 篇6
磁悬浮轴承是近年来研究的热点之一, 它是一个复杂的机电系统, 依靠电磁铁产生的磁力使轴承悬浮起来。磁悬浮轴承相对于普通轴承有很多优点, 几乎不存在摩擦, 而且在高速旋转中能对其进行有效地操作, 不需要润滑剂, 在真空条件下依然可以正常工作。因此, 磁悬浮轴承被广泛应用于储能飞轮, 航空航天等方面, 控制方法也趋于多样化[1,6]。但是, 由于磁悬浮轴承系统内在的强耦合、非线性等特征, 一般的负反馈PID控制只适合在平横位置使用, 转子偏移后, 将会产生周期性振荡, 高速旋转下会危及系统及人身安全[7]。
在分析了磁悬浮轴承的数学模型后, 根据磁悬浮轴承系统的快速性、稳定性等要求, 提出内模PID控制。仿真及实验结果证明, 该控制策略能快速调整系统平衡, 降低系统振荡。
1 磁悬浮轴承结构及工作原理[2]
主动电磁轴承系统主要由转子、电磁铁、传感器、放大器和控制器组成见, 图1。转子具有五个自由度。径向磁力轴承的控制在各个自由度间具有耦合性, 可以通过解耦, 对五个自由度分别进行独立控制。
主动磁悬浮控制多采用斥力磁悬浮结构, 防止在突然断电的情况下轴承因重力坠落, 对轴承造成损害。其工作原理为:通过位置传感器的检测, 将位移偏差信号传给控制器, 控制信号经过功率放大器后实现对电磁铁的控制, 见图2。
本文采用差动驱动模式控制[9,10], 使转子悬浮于最佳位置, 转子受力方程为:
式中:ρ为真空磁导率;N为线圈匝数;S为电磁铁内外环气隙面积;α为转子平衡时位置;x为转子位移偏量, I0为线圈偏置电流, F的方向总是和x偏移方向一致。
对上式进行线性化可以得到:
进而可以得到磁悬浮轴承的运动微分方程:
式中:, P (t) 为扰动量, m为转子质量。
2 主动磁轴承的内模控制[3,4,5]
内模控制[8]是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略, 对被控制对象的精确模型不做过多要求, 经常运用于一阶或二阶时滞系统, 控制只有一个待整定参数, 因而易于实现。
内模控制结构框图如图3, GIMC为内模控制器, GP表示对象的传递函数, 表示对象模型, Gd表示扰动对输出的影响。根据内模控制原理, 该控制器的主要目标是寻找GIMC, 系统输入输出关系为:
选取适当的传递函数, 令, 在不考虑干扰的情况下, 闭环传递函数为:
式 (9) 变为
同时可以得到:
磁悬浮轴承传递函数为:
由式 (9) 可以看出系统开环不稳定, 需加入矫正环节, 消去右半平面的极点, 系统变为稳定的一阶惯性环节。
取n=1,
为一阶惯性环节, 则Cs (s) 最终变为常规的PI调节器。其中为:
根据PI调节器对应参数规则, 可以很快确定kp、ki
3 轴承系统仿真验证
采用在Matlab/simulink环境下进行仿真。系统结构框图如图4所示。
仿真参数参照大连交通大学试验参数, 给出磁悬浮轴承的相关数据, 如表1所示。
1) 采用内模控制原理。仿真结果如图5所示。内模控制最大的优点在于其控制的简便性, 参数调节只依赖于α的大小, 从图5可以看出, 随着α的减小, 系统的单位阶跃响应呈现出一定的变化规律。α=20时, 系统响应存在约5%超调量;α=15时, 系统超调量已降至很小, 在t=0.01s时系统趋于稳定;α=5时, 系统虽然不存在超调, 但响应速度缓慢, 在t=0.1s时系统趋于稳定, 为了能快速找到系统最优响应时的准确值, 可以实时在线进行调整。
2) 采用常规PID控制。仿真结果如图6所示:四种控制下的阶跃响应见表2。常规PID控制参数整定比较繁琐, 不容易找到合适的控制参数, 达不到预期效果, 尤其是在系统出现振荡时, 常规PID控制不能快速作出调整, 这对整个系统来说无疑是非常危险的。从图6中可以看出, 虽然控制3响应速度非常快, 但5s后出现大幅振荡, 所以整体来说, 常规PID控制策略的弊端还是比较明显。
为了验证该系统应对外界干扰响应情况, 在t=0.15s时刻加入一扰动, 扰动幅值为0.01cm, 从图7中可以看到磁悬浮轴承扰动状态下系统阶跃响应曲线, 外界干扰在内模控制作用下经过0.02s恢复至平衡位置, 而同等情况下采用常规PID控制, 其恢复时间为将近0.1s, 从图8中可以得到验证。
4 结论
磁悬浮轴承的控制方案经多年研究技术已基本成熟。本文在深入研究磁悬浮轴承数学模型的基础上, 提出基于内模控制的控制方案, 单一的参数变量确定给实时在线控制提供了便利条件。经仿真实验可以看到, 内模PID控制方案不仅能有效抑制超调, 控制响应速度, 而且应对干扰具有优越性能。唯一不足之处是内模PID无法准确寻找最优解, 实验中只能保证系统的响应速度、鲁棒性尽可能做到最佳, 但无法确定系统性能最优时对应参数的具体值, 这方面可以作为以后研究的一个重点, 本文设计实验针对的是单自由度模型, 为复杂的五自由度模型研究提供了可借鉴思路。
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