轴向磁轴承及其转子动力学研究

论文摘要

动力磁悬浮轴承（power magnetic bearing,P-MB）与传统磁悬浮轴承存在本质上的不同,动力磁悬浮轴承不仅可产生支承转子的径向力悬浮,而且还可产生驱动转子所需的扭矩,因此动力磁悬浮轴承可集电动机和轴承两种功能于一体。本文以动力磁悬浮轴承的轴向磁轴承为研究重点,概述轴向磁轴承的工作原理和系统组成,推导出轴向磁轴承的数学模型,建立了轴向磁轴承的控制系统。应用有限元法对轴向磁轴承的电磁场、涡流损耗以及采用不同材料的转子悬浮力做了较为详细的分析,在此分析基础上采用简化磁路法设计出轴向磁轴承结构。推导出轴向磁轴承——转子系统的运动方程,建立了轴向磁轴承控制系统的闭环传递函数;应用MATLAB软件对所设计的轴向磁轴承控制系统进行仿真,仿真结果表明采用PID控制可实现轴向磁轴承的稳定悬浮。分析了数字控制系统的算法,建立基于DSP的轴向磁轴承数字控制系统。提出将模糊控制与PID控制相结合的模糊自整定PID控制算法,并将其应用于轴向磁轴承控制系统中。基于有限元求解转子固有频率理论,应用ANSYS软件对转子模态进行分析,得出了转子的各阶固有频率和临界转速,分析了各阶临界转速时转子的变形状况,建立无阻尼转子通过临界转速时所需的最小驱动力矩数模表达式,对动力磁轴承转子跨越临界转速具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 1. 课题研究背景及必要性
• 2. 动力磁悬浮轴承的发展现状
• 3. 本课题研究意义
• 4. 研究内容及章节安排
• 第一章 轴向磁轴承磁场分析及结构设计
• 1.1 轴向磁轴承工作原理与系统组成
• 1.1.1 轴向磁悬浮轴承工作原理
• 1.1.2 轴向磁轴承系统组成
• 1.2 电磁场的计算方法
• 1.2.1 磁路法
• 1.2.2 有限元法
• 1.3 轴向磁悬浮轴承磁场的有限元分析
• 1.3.1 轴向磁轴承磁场的有限元分析
• 1.3.2 轴向磁轴承定子与转子间气隙的有限元分析
• 1.3.3 定子线窗尺寸有限元分析
• 1.3.5 轴结构及材料对轴向磁轴承电磁场的影响分析
• 1.3.6 轴向磁轴承发热分析
• 1.4 以磁路理论为基础的轴向磁轴承结构设计
• 1.4.1 工作条件与结构
• 1.4.2 轴向磁悬浮轴承结构设计
• 本章小结
• 第二章 轴向磁轴承系统分析
• 2.1 轴向磁轴承模型分析
• 2.1.1 轴向磁轴承的运动方程
• 2.1.2 轴向磁轴承在平衡位置的承载能力
• 2.2 轴向磁轴承闭环控制分析
• 2.2.1 一种简单的磁轴承控制设计思路
• 2.2.2 磁轴承闭环控制频域分析
• 2.2.3 轴向磁轴承的刚度和阻尼
• 2.3 轴向磁轴承系统仿真
• 本章小结
• 第三章 基于DSP 的轴向磁轴承数字控制系统
• 3.1 DSP 的硬件特点及在控制上的应用
• 3.2 基于DSP 的轴向磁轴承数字控制系统
• 3.3 数字控制系统控制算法研究
• 3.3.1 PID 控制算法
• 3.3.2 模糊自整定PID 控制算法
• 本章小结
• 第四章 动力磁悬浮轴承转子动力学
• 4.1 转子动力学基础知识
• 4.1.1 转子动力学的发展及应用
• 4.1.2 转子动力学的研究目的和内容
• 4.1.3 转子动力学的计算分析方法
• 4 2 动力磁悬浮轴承转子动力学模型的建立
• 4.2.1 建立直角坐标系
• 4.2.2 动力磁悬浮轴承转子动力学模型
• 本章小结
• 第五章 轴向磁轴承转子临界转速分析
• 5.1 有限元法基本概念与理论
• 5.1.1 有限元的基本概念
• 5.1.2 理论概述
• 5.1.3 三维有限元基本理论
• 5.2 模态分析
• 5.2.1 建模
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 转子振动理论分析
• 5.3.1 临界转速时轴的变形位移
• 5.3.2 无阻尼转子通过临界转速时的最小驱动力矩
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢