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1、磁懸浮軸承理論研究及應(yīng)用,馬俊 導(dǎo)師：李自貴 機(jī)電二班 s20110218,1. 前言 2. 電磁軸承工作原理及數(shù)學(xué)模型 3. 電磁軸承的故障診斷 4.電磁軸承的應(yīng)用 5. 總結(jié)與展望,1.前言,所謂的磁懸浮軸承就是利用磁性原理使之沒(méi)有機(jī)械接觸的軸承。 從本質(zhì)上說(shuō)，任何一個(gè)磁懸浮問(wèn)題，歸納起來(lái)就是一個(gè)磁浮軸承問(wèn)題，其機(jī)理基本一致，研究方法也類似。磁浮軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子無(wú)接觸地懸浮在空間的新型機(jī)電一體化軸承，它綜合運(yùn)用了機(jī)械學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)、電子學(xué)、控制理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，是一項(xiàng)高科技前沿技術(shù)。,1.1電磁軸承的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：電磁軸承因軸與軸承無(wú)直接接觸，不需潤(rùn)滑，能在真

2、空中和很寬的溫度范圍內(nèi)工作，摩擦阻力小，不受速度限制（有的轉(zhuǎn)速高達(dá)2300萬(wàn)轉(zhuǎn)/分,線速度高達(dá)3倍音速）,使用壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)可多樣化。 缺點(diǎn)：靜電軸承需要很大的電場(chǎng)強(qiáng)度,應(yīng)用受到限制，只能在少數(shù)儀表中使用。,1.2磁懸浮技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r,20世紀(jì)60年代，世界上出現(xiàn)了3個(gè)載人的氣墊車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它是最早對(duì)磁懸浮列車研究的系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是固體電子學(xué)出現(xiàn)，使原來(lái)十分龐大的控制設(shè)備變得十分輕巧，這就給磁懸浮列車技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。1969年，德國(guó)牽引機(jī)車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車系統(tǒng)模型，以后命名為TR01型，該車在1 km軌道上時(shí)速達(dá)165 km，這是磁懸浮列車發(fā)展的第一個(gè)里程碑。我國(guó)

3、對(duì)磁懸浮列車的研究起步晚，1989年3月，國(guó)防科技大學(xué)研制出我國(guó)第一臺(tái)磁懸浮試驗(yàn)樣車。1995年，我國(guó)第一條磁懸浮列車試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)建成，并且成功進(jìn)行穩(wěn)定懸浮導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)控制和載人運(yùn)行等時(shí)速為300 km的試驗(yàn)。,西南交通大學(xué)這條試驗(yàn)線的建成，標(biāo)志我國(guó)已經(jīng)掌握了制造磁懸浮列車的技術(shù)，上海將輔設(shè)13.8 km的磁懸浮鐵路，那時(shí)我國(guó)將成為世界上第一個(gè)具有磁懸浮運(yùn)營(yíng)鐵路的國(guó)家。,,,當(dāng)前，國(guó)際上對(duì)磁懸浮軸承的研究工作也非?；钴S。1988年召開(kāi)了第一屆國(guó)際磁懸浮軸承會(huì)議，此后每?jī)赡暾匍_(kāi)一次。1991年，美國(guó)航空航天管理局還召開(kāi)了第一次磁懸浮技術(shù)在航天中應(yīng)用的討論會(huì)。現(xiàn)在，美國(guó)、法國(guó)、瑞士、日本和我國(guó)

4、都在大力支持開(kāi)展磁懸浮軸承的研究工作。國(guó)際上的這些努力，推動(dòng)了磁懸浮軸承在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)對(duì)磁懸浮軸承的研究工作起步較晚，尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，落后外國(guó)約20年。1986年，廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對(duì)“磁力軸承的開(kāi)發(fā)及其在FMS中的應(yīng)用”這一課題進(jìn)行了研究。此后，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、山東科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等都在進(jìn)行這方面的研究工作。,1.3磁懸浮軸承的分類,2.電磁軸承工作原理及數(shù)學(xué)模型,定義：利用電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力使軸懸浮的滑動(dòng)軸承。 組成：實(shí)際使用的電磁軸承一般由徑向軸承、推力軸承、伺服控制回路、阻尼器、速度傳感器或位置傳感器等組成。 分類：根據(jù)使軸承

5、懸浮的力的來(lái)源的分類如右圖所示。,一個(gè)轉(zhuǎn)子要實(shí)現(xiàn)完全的懸浮需在其五個(gè)自由度上施加控制力，即需要兩個(gè)徑向軸承和一個(gè)推力軸承。這樣的三個(gè)磁力軸承和轉(zhuǎn)子加上電子控制器就構(gòu)成了一個(gè)完整的電磁軸承系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱AMBS）。一個(gè)完整的電磁軸承系統(tǒng)通常包括2個(gè)徑向軸承和1個(gè)軸向軸承及其控制系統(tǒng)；每個(gè)徑向軸承有2個(gè)自由度，每個(gè)軸向軸承有1個(gè)自由度，這樣一個(gè)電磁軸承共有5個(gè)自由度。,2.1電磁軸承的工作原理,圖1 單自由度磁軸承系統(tǒng)原理圖工作原理：轉(zhuǎn)子在偏置電流I0的作用下處于平衡位置x0，若某時(shí)刻出現(xiàn)一干擾f0，轉(zhuǎn)子就會(huì)偏離平衡位置，偏移為x，為使軸承回到平衡位置，須加上控制電流ic，使電磁鐵的磁力增加，電磁鐵的

6、磁力減小。此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的力為：,,其中：u。是導(dǎo)磁率，S為氣隙截面積，N線圈匝數(shù)。對(duì)式（1）在（ x0 =0， ic =0）處線性化，在不考慮其他情況下，由牛頓第二定律得：,2.2 磁懸浮軸承數(shù)學(xué)模型,磁懸浮主軸的總體結(jié)構(gòu) 五自由度主軸電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。轉(zhuǎn)子兩端各有一個(gè)輔助軸承，在軸承正常工作期間，輔助軸承不與轉(zhuǎn)子接觸。當(dāng)突然斷電，或者主動(dòng)磁軸承失控時(shí)，輔助軸承起臨時(shí)支撐高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子接觸，防止轉(zhuǎn)子與電機(jī)定子及主動(dòng)磁軸承定子相碰撞而損壞整個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)磁軸承不工作時(shí)，轉(zhuǎn)子也應(yīng)落在輔助軸承上，對(duì)轉(zhuǎn)子在徑向和軸向起保護(hù)作用。圖中前徑向軸承3和后徑軸承7制約徑向兩個(gè)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向軸承

7、4制約軸向運(yùn)動(dòng)。整個(gè)主軸裝有五個(gè)渦流式傳感器。,,1-輔助軸承 2-徑向傳感器 3-前徑向軸承4-軸向軸承 5-高頻電機(jī) 6-轉(zhuǎn)子 7后徑向軸承 8-軸向傳感器圖2.7 磁懸浮主軸單元結(jié)構(gòu)布置圖,根據(jù)分析，可以將一個(gè)五自由度的模型分解成兩個(gè)二自由度和一個(gè)軸向單自由度分別考慮。這樣，問(wèn)題簡(jiǎn)化為建立二自由度問(wèn)題數(shù)學(xué)模型。以此，下面我們對(duì)這兩自由度子系統(tǒng)在x-z平面進(jìn)行分析，同理可以知道y-z平面數(shù)學(xué)模型。,模型,剛性 轉(zhuǎn)子 模型,柔性 轉(zhuǎn)子 模型,,,高速模型,低速模型,模型簡(jiǎn)化原則,彈性轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型,集中參數(shù)法,,,,,,在完整的電磁軸承系統(tǒng)中，電磁鐵的作用是為保持轉(zhuǎn)子在預(yù)定位置上的穩(wěn)定懸浮提供

8、電磁力。當(dāng)轉(zhuǎn)子中心發(fā)生偏移時(shí)，偏移量由位置信號(hào)傳感器拾取后送到調(diào)節(jié)電路及功率放大電路，輸出一個(gè)控制電壓或電流，調(diào)節(jié)電磁鐵的磁場(chǎng)力，使轉(zhuǎn)子回到正常位置。,,輔助軸承,徑向軸承,3 .電磁軸承的故障診斷,故障診斷本身是一個(gè)永無(wú)止境的問(wèn)題，不同的系統(tǒng)和設(shè)備各有自己的故障診斷方法，但也有一些共同方法，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)、遺傳算法、粗集理論、專家系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)、冗余與容錯(cuò)技術(shù)等。,與傳統(tǒng)機(jī)械軸承不同，磁懸浮軸承需要一套電控系統(tǒng)來(lái)維持其工作，電控系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器和驅(qū)動(dòng)器。其中控制器是電磁軸承系統(tǒng)重要的環(huán)節(jié)，其性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有密切關(guān)系。,3.1 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道的故障診斷 磁

9、力軸承控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道包含:從傳感器采集的轉(zhuǎn)子位移數(shù)據(jù)，直到形成電磁鐵線圈的反饋控制電流的整個(gè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、控制與傳輸通道。只有數(shù)據(jù)通道正常工作，才能穩(wěn)定地控制磁懸浮轉(zhuǎn)子。數(shù)據(jù)通道故障診斷的主要內(nèi)容就是對(duì)通道中的各個(gè)組成部分進(jìn)行檢測(cè)、測(cè)試與診斷。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程針對(duì)以基于工控機(jī)和所采用的PCI一1711工控卡為硬件基礎(chǔ)的控制通道。,PCI-1711數(shù)據(jù)采集模塊,PCI一1711工控卡組成框圖,（1）. 控制系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的故障診斷方法：輸入標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，檢測(cè)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，與理論上的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行比較。具體操作過(guò)程采用“三點(diǎn)檢測(cè)法”，所謂“三點(diǎn)檢測(cè)法”就是輸入的模擬信號(hào)分別為最大值(

10、sv)、中間值(2.5v)和最小值(Ov)，檢測(cè)相應(yīng)的12位數(shù)字信號(hào)。,（2）.D/A轉(zhuǎn)換部分的故障診斷方法是:用程序控制12位數(shù)字量從全“0”依次均勻增大到全“1”，用示波器觀察所產(chǎn)生的模擬信號(hào)，應(yīng)為均勻的鋸齒波，從波形不僅可以看出模擬電壓的最大值和最小值，而且還能看出鋸齒波在一個(gè)周期內(nèi)是否是理想直線。,（ 3）.對(duì)功率放大器的測(cè)試，可以直接輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)檢測(cè)輸出相應(yīng)的電流信號(hào)。,3.2 傳感器故障診斷,主動(dòng)磁懸浮軸承在工作時(shí)需要用位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。大多數(shù)主動(dòng)磁懸浮軸承都采用渦流位移傳感器。在主動(dòng)磁懸浮軸承中, 渦流位移傳感器的傳感頭與轉(zhuǎn)子的間隙一般小于1 mm, 傳感頭在工作

11、過(guò)程中要經(jīng)受振動(dòng)、高速氣流等考驗(yàn), 工作環(huán)境比較惡劣, 是整個(gè)傳感器中最容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)。主動(dòng)磁懸浮軸承系統(tǒng)常常采用差動(dòng)式位移傳感器以提高位移檢測(cè)的性能。 從傳感器的功能角度來(lái)看，其故障失效形式有兩種，一種問(wèn)完全失效；另一種為部分失效。,,以差動(dòng)式位移傳感器為例,根據(jù)差分電路的特點(diǎn)，假設(shè)Ks1=Ks2=Ks,則Vd=Ks(d1-d2),圖一,此特征可以用來(lái)檢測(cè)傳感器的故障: 當(dāng)兩個(gè)傳感器的特性相同時(shí)，只要Vd不為零, 就表明某個(gè)傳感器有故障。而實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)位移傳感器的特性不可能完全一致，因此須設(shè)定一個(gè)允許的誤差容限Vtol, 如果兩個(gè)傳感器的差值信號(hào)滿足如下關(guān)系式 則可確定兩個(gè)傳感器

12、沒(méi)有故障。,基于傅里葉變換的傳感器的故障診斷 控制器的輸出信號(hào)和傳感器干擾信號(hào)及轉(zhuǎn)子干擾力之間的關(guān)系為： 控制器的輸出信號(hào)包含兩部分，一部分和傳感器故障有關(guān)，一部分和轉(zhuǎn)子所受干擾力有關(guān)。令 當(dāng)傳感器1失效時(shí)有,當(dāng)傳感器2失效時(shí),綜上結(jié)論得：,其中n=1,2分別對(duì)應(yīng)傳感器1故障和傳感器2故障。 因此可以通過(guò)Ucs和Vd的相位關(guān)系就可以確定發(fā)生故障的傳感器。通過(guò)比例系數(shù)的正負(fù)來(lái)判斷哪個(gè)傳感器發(fā)生故障。,3.3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障診斷,（1）.當(dāng)轉(zhuǎn)子處于磁懸浮狀態(tài)但不旋轉(zhuǎn)時(shí) 采用振動(dòng)與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，并采用自身的加速度傳感器測(cè)試轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)但不旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)規(guī)律。根據(jù)轉(zhuǎn)子的三個(gè)獨(dú)立方向

13、的振動(dòng)頻率和幅值并不相同，但沒(méi)有明顯差異這個(gè)結(jié)論，當(dāng)測(cè)試結(jié)果得出的振動(dòng)特性與上述結(jié)論不同時(shí)，即為轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障。,磁懸浮轉(zhuǎn)子實(shí)物圖,（2）.當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的故障診斷 轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)比不旋轉(zhuǎn)時(shí)更劇烈的振動(dòng)，不近轉(zhuǎn)子會(huì)振動(dòng)，定子也會(huì)振動(dòng)。在正常情況下，定子和轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性 都是相對(duì)穩(wěn)定的，如果定子的振動(dòng)頻率和幅值大聲明顯的變化，可作為故障診斷的依據(jù)。通過(guò)利用階次分析，測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下定子和轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻率和幅值，得出頻率、幅值和階次的關(guān)系，得出振動(dòng)的固有頻率，區(qū)分振動(dòng)產(chǎn)生的根源，進(jìn)行故障定位。,電磁軸承的性能指標(biāo),800000r/min,靜態(tài)品質(zhì)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo),4.電磁軸承的應(yīng)用,結(jié)合電磁軸承的優(yōu)缺

14、點(diǎn)，電磁軸承已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如超高速列車、超高速離心機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、空間飛行器的角動(dòng)量飛輪、流量計(jì)、密度計(jì)、功率表、真空泵、精密穩(wěn)流器和陀螺儀（利用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。）等。,4.1 磁懸浮列車 原理：磁懸浮列車?yán)谩巴韵喑?，異性相吸”的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約1厘米處，騰空行駛.,4.2 高速精密機(jī)床,配有數(shù)控式磁軸承的銑床主軸，用于高速銑削，轉(zhuǎn)速40000r/min,切削功率40kw,4.3 散熱器,4.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)中應(yīng)用,4.5 航空航天中應(yīng)用,飛輪,北航先進(jìn)慣性儀表與導(dǎo)航技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),控制遙感衛(wèi)星穩(wěn)定,5. 總結(jié)與展望,磁懸浮軸承的控制器以及傳感器對(duì)軸承的穩(wěn)定性有較大的影響。磁懸浮軸承是一項(xiàng)新興的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)引起了人們極為強(qiáng)烈的關(guān)注。但是，到目前為止，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有特別成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，這就需要我們?nèi)ゲ粩嗟呐?，彌補(bǔ)磁懸浮技術(shù)的空白。,謝謝！,