郑坚强[1]2004年在《电磁轴承有限元分析、结构设计及控制》文中研究说明本论文主要讨论了主动电磁轴承(Active Magnetic Bearing,AMB)动力特性的有分析、结构设计及基础运动时电磁轴承—转子系统的动力特性等问题,同时相应地了基于ANSYS的电磁轴承特性有限元分析系统及结构优化系统。 主要内容如下。 (1) 电磁轴承动力特性有限元分析 本章分别用解析法和有限元法对电磁轴承的动力特性进行了分析,包括磁感应和电磁力计算等,并对分析结果进行了比较;同时,利用VB软件二次开发了基于A(?)软件的电磁轴承动力特性有限元分析系统,在考虑了材料的非线性、转子偏心等情对不同磁极的电磁轴承进行了建模和分析。最后,本章简单地探讨了电磁结构的叁限元分析。 (2) 电磁轴承结构设计 本章分别讨论了径向电磁轴承和推力电磁轴承的结构参数设计问题,建立了径磁轴承优化模型;以单位长度的最大承载力和最小体积为优化目标,在叁种结构约件下,对径向轴承进行了优化设计;最后,利用上章开发的电磁轴承动力特性有限析系统讨论了优化系统默认参数的选择问题。 (3) 基础运动时电磁轴承—转子系统动力特性的分析 本章简单地讨论了在基础运动时电磁轴承—转子系统的动力特性问题,建立了运动微分方程和系统状态方程组,并对采用PID控制策略的单/双自由度电磁轴承子系统在基础运动条件下的动力特性进行了仿真分析,最后,简单地探讨了基础运电磁轴承—转子系统的振动控制问题。
吴刚[2]2006年在《混合磁轴承飞轮系统设计与控制方法研究》文中提出磁轴承动量飞轮是一种新型的空间飞行器姿态控制执行机构,它采用磁轴承替代传统飞轮的滚珠轴承,消除了飞轮转子与定子的机械接触,能够有效地减小摩擦、抑制振动、提高转速,从而可以较大幅度地提高姿态控制系统的稳定度和指向精度。本文围绕永磁偏置型混合磁轴承动量飞轮这一具体的工程应用对象,从飞轮的构型设计、磁轴承结构设计与优化、结构参数与性能分析、转子运动分析、控制系统设计、控制方法及磁轴承飞轮实验测试等方面,进行了较为系统和全面的研究。首先,进行了磁轴承飞轮构型设计分析,广泛研究了各种磁轴承结构,分析了飞轮空间应用的限制和需求,确定了飞轮的永磁偏置型混合磁轴承结构形式,采用这种磁轴承支承设计了两轴型磁轴承反作用飞轮和四轴型磁轴承动量轮两种飞轮构型。针对飞轮混合磁轴承结构设计问题,基于等效磁路理论,提出了一种永磁偏置磁轴承工程化设计方法,进行了混合磁轴承永磁和电磁参数的设计与计算分析;提出了基于等效偏置电流的永磁偏置磁轴承磁力的线性化方法,方便磁轴承飞轮线性系统控制模型参数的确定;鉴于刚度对磁轴承性能的重要性,提出了一种基于刚度指标的磁轴承线性化设计方法,保证了系统的控制性能,具有较好的设计效果;并对磁轴承进行了结构参数与系统性能分析的研究,针对磁路磁阻的影响、控制器与结构参数的关系、控制线圈电流和磁力的响应速度等进行了理论分析,从系统性能的角度出发提出了一些结构参数的设计原则。其次,进行了磁轴承飞轮的结构优化设计研究,基于等效磁路的分析方法,考虑到空间应用的限制与要求,采用进化算法和模拟退火算法分别对混合磁轴承进行了永磁磁路质量、电磁磁路质量与磁轴承负刚度性能指标的优化设计研究,并对飞轮外转子进行了结构强度的优化设计。运用有限元数值计算方法,对混合磁轴承进行了叁维磁场的有限元计算与分析,确定了永磁与电磁磁场的空间分布,检验了磁路设计方法的有效性。针对磁轴承的涡流损耗问题,对磁轴承具体结构进行了改进,并采用有限元方法进行了计算分析。考虑到飞轮高速运转下可能出现的结构失效问题,进行了飞轮转子的应力应变有限元分析。在磁轴承飞轮动力学运动分析方面,建立了四轴型磁轴承动量轮的动力学模型和两轴型磁轴承飞轮的控制系统模型。基于刚性磁轴承动量轮的运动方程,研究了其运动稳定性与临界转速等转子动力学基本问题,并进行了动量轮平动运动的耦合分析。在磁轴承飞轮的控制方法研究方面,首先进行了线性控制器设计,实现了磁轴承飞轮的稳定悬浮,设计了交叉反馈控制器实现了高速转动下的飞轮转子进动与章动抑制。其次,进行了非线性控制方法的应用研究,采用传统的变结构控制方法设计了磁轴承飞轮的变结构控制器,仿真表明了系统良好的控制特性。再次,将全滑模变结构控制方法应用于磁轴承动量轮系统,消除了系统的趋近运动段,进一步增强了被控对象的鲁棒性。最后,在综合结构设计与控制方法研究的基础上,进行了磁轴承飞轮相关实验研究。针对飞轮磁轴承结构参数与控制系统设计进行了相关的分析与测试,进行了飞轮静态、动态悬浮实验与真空降速实验等。实验测试结果表明设计的磁轴承飞轮样机达到了设计所要求的角动量、转速和阻滞力矩等性能指标。
朱美丽[3]2008年在《永磁轴承的设计与力学特性分析》文中提出磁悬浮轴承具有运转速度高、噪声小、功耗低、寿命长、隔振等优点。永磁轴承具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、反应时间常数小、造价低廉、几乎无能耗等优点。我国有丰富的稀土资源,开发用于承载主载荷的永磁轴承无疑具有得天独厚的优势,而且有很好的发展前景。改善电磁轴承磁力非线性最常用的方法是在轴承气隙中提供一个偏置磁场,一种是利用轴承线圈的偏置电流产生,另一种则是利用永磁体产生。利用永磁体为电磁轴承提供偏置磁场,不仅可以减小轴承发热,而且可以简化轴承结构,本文首先针对一种永磁偏置径向磁轴承,详细介绍其工作原理,并利用等效磁路法建立了该轴承的磁浮力的数学模型,利用ANSYS有限元软件对此轴承进行二维与叁维有限元仿真,很好的验证了磁悬浮机理的正确性,同时也确定了该方法计算的可靠性。在此基础上,给出了一套规范的永磁偏置磁轴承的设计与计算方法。为该磁轴承的设计提供了理论依据。本文利用等效磁荷法建立了双环永磁轴承的磁力模型,在此基础上,分析了双环永磁轴承在发生轴向偏移或径向偏移的情况下,轴承的径向、轴向承载力;以及轴承的轴向与径向的藕合特性。同时,论文借助于有限元软件ANSYS对双环永磁轴承进行轴向与径向承载力进行分析与计算,验证了等效磁荷法计算的正确性与可靠性。
王其磊[4]2009年在《永磁偏置混合磁悬浮轴承结构设计及控制方法研究》文中进行了进一步梳理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—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(HMB),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。(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,设计了一种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,并采用迭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Ansoft中的Maxwell-2D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。通过对迭片转子的进行有限元分析发现采用迭片转子比采用实心转子功耗小,涡流损失小,因此迭片转子具有优越性,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PID控制方法进行了改进,形成非线性补偿PID控制与基于遗传算法的PID控制方法,并对叁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MATLAB中的Simulink模块库对所设计的PID控制参数进行了整定调试。利用设计的PID控制器、非线性补偿PID控制器以及基于遗传算法的PID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PID控制器以及基于遗传算法的PID控制器,对电磁轴承的控制效果较好。
汤银龙[5]2013年在《600Wh飞轮储能系统的电磁轴承结构设计》文中研究指明电磁轴承是一种新型、高性能轴承，其特点是转轴与电磁轴承之间不存在直接接触、无摩擦损耗、不需润滑，对环境无油污染，为高速大承载飞轮储能系统的研究提供了技术支持。本论文以600Wh飞轮储能系统试验样机为应用背景，根据样机性能技术指标，结合样机转子系统的支撑布局、轴系结构，开展了径向、轴向电磁轴承的结构设计及优化研究。首先，对600Wh飞轮储能系统样机支撑系统进行方案设计，根据飞轮转子轴系的结构特点，展开了支承系统总体布局的研究，并进行了辅助支撑系统的设计。基于磁路法建立了电磁轴承电磁力数学模型，依据数学模型分析研究了结构参数和控制参数对电磁力产生的影响方式及规律。依据样机系统性能对支撑系统提出的运行参数指标和结构布置等约束条件，展开了径向、轴向电磁轴承结构设计，确定了电磁轴承的结构参数。同时，对初始设计方案中的相关装配及制造工艺对电磁轴承的性能影响因素进行了分析，并提出了解决方案。其次，本文通过ANSYS电磁场有限元分析模块，结合电磁轴承结构参数和电流控制参数，建立了径向电磁轴承有限元模型。并模拟分析了不同电流加载控制模式对径向电磁轴承内部的磁场分布、磁场耦合的影响机理；加工工艺孔对径向电磁磁轴承内部磁场耦合影响规律。磁场分布和磁耦合可以反映磁力的变化规律。建立了不同气隙比的轴向电磁轴承模型，得到了轴向电磁轴承内部磁场分布；分析了不同气隙比参数下，轴向电磁轴承的漏磁现象和漏磁程度，揭示了漏磁导致轴向电磁轴承的径向和轴向电磁力形成力耦合现象，寻找了较为合适的气隙比结构参数，以减轻漏磁引起的力耦合。最后，基于矩形磁极形式，结合有限元分析手段，以提高电磁轴承承载能力，降低功耗、损耗为目的，对几种磁极结构的承载性能、边缘效应进行了比较，对各项数据和制造工艺难易程度进行对比分析，得到了承载性能较优的磁极结构。并针对线圈槽形状突变处易出现磁饱现象进行了分析，提出磁极槽型优化的解决方案，使材料磁路得到充分利用。
刘建明[6]2007年在《电磁轴承结构设计与转子动力学分析》文中进行了进一步梳理本文阐述了电磁轴承的发展历史和研究现状，论述了电磁轴承的特点和工作原理，及其广泛的应用领域，这些都预示着电磁轴承的产生，将引起支承技术的革命。文章从电磁学的基础理论开始，分别叙述了Maxwell方程组，磁场的边界条件和目前常用的数值计算方法，并以磨床用电主轴为例叙述了其径向、轴向轴承的设计步骤，考虑漏磁的影响，文中采用有限元进行了分析，并依据其分析结果来确定其中的结构参数。文中考虑电磁轴承的弹性支承特性和转子的柔性，建立有限元模型，并对其进行模态分析，得出转子的各阶固有频率和振型，从而得到转子的各阶临界转速，在转子动平衡时，调整这些临界转速，使其适当远离机械的工作转速，以得到可靠的设计。
张锦光[7]2010年在《磁悬浮转子系统建模技术及其虚拟样机研究》文中提出磁悬浮转子系统是利用主动或被动磁力轴承对转子进行支承的系统,具有一般传统支承技术所无法比拟的优点；虚拟样机技术是能够减少设计失误、提高设计效率的先进的产品开发方法；本文利用虚拟样机技术,对磁悬浮转子系统虚拟样机及建模技术进行研究,旨在提高磁悬浮转子系统的设计质量、减少开发时间、降低开发成本。本文的主要研究工作包括：分析了虚拟样机技术和磁悬浮转子系统设计技术的国内外研究现状、发展趋势和存在的问题,在此基础上,提出了基于ADAMS的磁悬浮转子系统多领域协同仿真模型的开发流程。对磁悬浮转子系统虚拟样机设计系统的技术特点、体系结构和功能进行了研究；分析了磁悬浮转子系统虚拟样机开发的支撑技术,包括系统参数化建模技术、多领域系统模型集成技术、ADAMS二次开发技术以及底层支撑技术等。对磁悬浮转子系统虚拟样机中主动磁力轴承和永磁轴承的设计进行了研究。开发了主动磁力轴承结构设计和性能仿真等功能模块,给出了实验验证方法。针对永磁轴承的设计,分析了永磁轴承的基本结构及相关的磁场分析和计算方法,重点研究了多环轴向充磁的永磁轴承的建模,用有限元法对永磁径向轴承的承载力进行了计算与分析,并将分析结果应用于小型风力发电机的转子支承系统的设计中,完成了实验样机,与传统风力发电机的对比实验表明,该设计降低了风力发电机样机的启动阻力矩,验证了研究结果的可行性及有效性。分析了复杂产品的多学科领域建模方法,提出了基于接口的磁悬浮转子系统多学科领域建模方法。分析了建模过程中ADAMS软件与其他相关软件的协同。通过ADAMS建立了磁悬浮转子机械系统模型,利用MATLAB/Simulink设计控制策略,将控制与机械系统进行集成,完成了五自由度磁悬浮转子系统机电统一虚拟样机的建模,对协同仿真及虚拟传感器的测量问题进行了分析。根据多柔体系统动力学建模理论以及ADAMS的柔性体建模方法,建立了柔性磁悬浮转子系统的ADAMS、MATLAB和ANSYS联合仿真模型。对基础运动的磁悬浮转子系统建模进行了分析,针对车载飞轮电池中的磁悬浮转子系统建立了动力学模型。
刘良田[8]2016年在《基于磁悬浮电机飞轮电池电磁传动与支承设计》文中提出飞轮电池突破了化学电池的局限,具有大能量密度、高效、清洁以及长寿命等一系列特有的性能,在某些方面逐渐成为代替化学电池的重要新型电池之一。随着新型高强度材料、磁悬浮支承技术和电力电子技术的蓬勃发展,飞轮电池在电动汽车、电力系统、储能电源以及航空航天等领域也迎来了新的发展契机。本文对飞轮电池结构方案、磁悬浮轴承支承系统以及飞轮电池用磁悬浮开关磁阻电机进行了研究。本文主要研究内容与成果有以下几个方面:提出了一种新型的飞轮电池结构,电池采用径向斥力永磁轴承、轴向卸载永磁轴承与低损耗叁自由度交直流混合磁轴承组合使用的磁悬浮轴承支承方案,将外转子单绕组磁悬浮开关磁阻电机镶嵌于飞轮转子中,同时实现了飞轮电池在轴向与径向上的被动承载与主动控制。针对本文的飞轮电池设计要求,对径向斥力永磁轴承和轴向卸载永磁轴承进行了结构设计与参数计算,推导了永磁轴承的磁力模型,确定了其结构尺寸,利用有限元仿真对设计结果进行了仿真验证,研究了永磁体结构参数对径向斥力永磁轴承和轴向卸载永磁轴承承载力的影响。针对本文确定采用的低损耗叁自由度交直流混合磁轴承,对低损耗叁自由度混合磁轴承进行了选型比较,推导了低损耗叁自由度交直流混合磁轴承的数学模型,设计了低损耗叁相交直流混合磁轴承的结构参数,最后,基于Matlab与Ansoft模型分析了悬浮力与控制电流以及转子偏移量之间的关系。提出了飞轮电池用外转子单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构,建立了外转子单绕组磁悬浮开关磁阻电机的数学模型,在数学模型的基础上对电机进行了参数计算,给出了电机基本尺寸设计方法,利用有限元法,验证了设计方法的正确性,分析了电机电磁转矩与悬浮力之间的耦合性。
胡磊[9]2017年在《电磁轴承及其控制系统的研究与设计》文中研究说明磁悬浮轴承及其所支撑的高速电机都是当前研究的热点领域。对于转速在每分钟万转以上的高速电机,其支撑设备采用磁悬浮轴承是一种理想方案,不仅实现了轴承与转子之间无机械磨损的可能,而且具有可以通过轴承对转子的运行状态进行主动控制这一非同寻常的优点。根据磁轴承中偏置磁场的来源不同,磁悬浮轴承有多种类型,本文所研究的是偏置磁场来自于控制系统的主动电磁轴承,主要按以下几个方面对其机械结构和控制系统进行研究和设计:针对现有的磁轴承与高速电机结构比较固定的缺陷,设计一种与高速电机相分离的八磁极主动电磁轴承,增加了磁轴承应用的灵活性。借助3D打印技术对电磁轴承的线圈骨架和电涡流传感器的微型探头进行制作,提供了一种实现捷径。采用一种差动绕组驱动线性化法对电磁轴承控制系统进行数学建模,推导出其模型公式。基于Ansoft Maxwell有限元分析软件对所设计的电磁轴承进行叁维电磁场有限元优化设计,为控制系统的研究和设计提供准确的载体。实现了一种可以消除因元器件制造工艺分散性而存在误差的差动调幅式电涡流传感器,对电磁轴承转子在单自由度方向上进行两探头差动解调式测量,提高了转子位置的控制精度。采用模拟控制方法,研究并实现了电磁轴承控制系统的PWM功放硬件电路。仿真验证了电磁轴承开关功放采用叁电平驱动策略可以降低线圈上电流纹波的幅度。研究了电磁轴承电流/位移双闭环控制系统。建立基于Simulink的电磁轴承控制系统的电流内环和位移外环模型,整定了其PI和PID调节参数。针对电流内环,研究了一种电力电子建模方法,仿真研究结果表明该方法是可行的,可以做为电磁轴承电流内环建模及其调节参数整定的参考。
聂发廷[10]2016年在《10kWh飞轮储能系统的电磁轴承结构设计》文中研究表明飞轮储能系统是将能量以动能的形式储存在高速旋转的飞轮转子中,对于支承系统要求很高。电磁轴承由于与被支承转轴之间不存在接触而没有机械摩擦,无需添加润滑剂,且支承力主动可控等诸多优点成为飞轮储能系统研发的关键技术之一。本文主要以lOkWh飞轮储能系统为应用目标,根据储能飞轮对支承系统提出的技术指标、尺寸限制等要求,进行径向及轴向电磁轴承的结构设计以及分析,并通过试验台对电磁轴承的性能进行验证。首先,根据lOkWh飞轮储能系统轴系的分布特点对支承系统的整体布局进行设计,包括辅助支承系统。根据电磁轴承的基本力学模型完成磁力的推导,分析电磁轴承的控制原理。依据储能飞轮对于支承系统的性能要求完成径向电磁轴承铁磁材料的选定以及磁极个数的确定,进而建立12磁极径向电磁轴承的电磁力数学模型,对径向电磁轴承的结构展开设计,最终确定电磁轴承的结构参数,并以此结构参数对电磁轴承的电磁特性进行分析,通过ANSYS Maxwell有限元软件对径向电磁轴承的磁场分布以及涡流损耗进行分析。其次,依据储能飞轮对其轴向悬浮支承系统提出的运行参数指标和尺寸约束等条件,对轴向电磁轴承的结构展开设计,包括定子、推力盘、绕组的参数设计等。建立轴向电磁轴承在转子系统偏离平衡位置时的电磁力数学模型,并以转子轴在完全落下时轴向电磁轴承产生的电磁力为设计目标,即最大启浮力,展开对轴向电磁轴承整体结构的设计,并最终确定各项结构参数,再通过结构参数求出静态反馈电流的大小为以后控制系统的研发提供依据。最后根据设计的结构参数对轴向电磁轴承的电磁特性进行分析,并通过有限元软件分析电磁轴承内部的磁场分布以及涡流损耗。最后,根据径向和轴向电磁轴承的结构特点分别设计两个性能测试试验台,可以调节定子磁极与转子之间的距离,在完成测力传感器的标定实验以后,对电磁轴承的性能进行测试。通过测试得出的数据绘出电磁轴承电磁力与线圈电流和工作气隙之间的电磁特性曲线,对其进行分析并和理论数据对比,分析误差产生原因,最终确定电磁轴承的结构设计可以满足lOkWh储能飞轮对于支承系统的要求,并且为后续控制系统的研发提供数据支持。
参考文献：
[1]. 电磁轴承有限元分析、结构设计及控制[D]. 郑坚强. 浙江大学. 2004
[2]. 混合磁轴承飞轮系统设计与控制方法研究[D]. 吴刚. 国防科学技术大学. 2006
[3]. 永磁轴承的设计与力学特性分析[D]. 朱美丽. 西安理工大学. 2008
[4]. 永磁偏置混合磁悬浮轴承结构设计及控制方法研究[D]. 王其磊. 兰州理工大学. 2009
[5]. 600Wh飞轮储能系统的电磁轴承结构设计[D]. 汤银龙. 哈尔滨工程大学. 2013
[6]. 电磁轴承结构设计与转子动力学分析[D]. 刘建明. 合肥工业大学. 2007
[7]. 磁悬浮转子系统建模技术及其虚拟样机研究[D]. 张锦光. 武汉理工大学. 2010
[8]. 基于磁悬浮电机飞轮电池电磁传动与支承设计[D]. 刘良田. 江苏大学. 2016
[9]. 电磁轴承及其控制系统的研究与设计[D]. 胡磊. 沈阳工业大学. 2017
[10]. 10kWh飞轮储能系统的电磁轴承结构设计[D]. 聂发廷. 哈尔滨工程大学. 2016
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