分子泵磁轴承的模态辨识与试验研究

论文摘要

磁悬浮分子泵是一种采用可控磁悬浮轴承替代传统轴承的真空泵,因磁悬浮轴承实现了对转子的无接触支承,具有无磨损、无需润滑的特点;同时对悬浮转子的性能还具有一定的主动控制能力,更有利于实现分子泵的高性能。因此,磁悬浮分子泵能广泛应用于各种真空领域。在国家16项重大专项课题之一——神光Ⅲ项目中,许多装置除要求在真空环境下工作外,还要求高洁净度和低振动的环境,磁悬浮分子泵因其良好的性能非常适合神光Ⅲ项目的需求。本文针对神光Ⅲ项目的需求,对用于磁悬浮分子泵的主动磁轴承进行模态辨识和试验研究,为磁悬浮分子泵的设计开展了基础研究。首先,通过分析磁悬浮轴承的结构和控制策略原理,建立了磁轴承-转子系统的数学模型;并确定影响系统模态参数的结构参数,选择礠间隙和偏置电流作为模态分析中的变量因子,计算了系统刚度、阻尼和电磁力等随变量因子（磁隙和偏置电流）变化的情况。同时,对单自由度磁轴承试验台和五自由度磁轴承试验台建立了结构模型。其次,运用有限元软件ANSYS,对单自由度磁轴承和五自由度磁轴承进行了静力分析和模态分析,得到了系统前四阶模态振型;通过一系列的分析,找到了单自由度磁轴承系统前四阶共振频率随轴向磁隙和偏置电流的变化规律曲线;得到了五自由度磁轴承系统前四阶共振频率随X向磁隙、Y向磁隙、Z向磁隙以及偏置电流的变化规律曲线。最后,对单自由度磁轴承试验台进行试验模态分析,用锤击测振系统测出了系统的实际振型和共振频率,并与有限元模态分析结果进行了比较。试验结果表明,理论模态分析与实际结果相近,从而得到了比较准确的模态参数,在磁轴承的控制试验中也验证了模态参数的重要性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 技术背景
• 1.1.2 分子泵性能特点
• 1.1.3 磁悬浮轴承的结构和特点
• 1.1.4 模态分析和系统辨识的重要性
• 1.2 分子泵磁轴承模态分析的综述
• 1.2.1 磁轴承涡轮分子泵国内外研究现状
• 1.2.2 磁轴承分子泵的发展趋势
• 1.2.3 模态分析的应用现状
• 1.3 本课题主要研究的内容
• 第2章 磁悬浮轴承的数学模型与模态分析理论
• 2.1 引言
• 2.2 磁悬浮轴承-转子系统及其工作原理
• 2.2.1 轴向磁轴承电磁力的计算
• 2.2.2 电磁力线性化分析
• 2.3 多磁极径向磁悬浮轴承数学模型的建立
• 2.3.1 多磁极相邻磁极间的干扰分析
• 2.3.2 径向磁轴承结构的数学模型
• 2.4 模态分析理论
• 2.4.1 多自由度系统模态分析
• 2.4.2 多自由度系统的试验模态分析
• 2.5 小结
• 第3章 轴向磁悬浮轴承的有限元模态分析
• 3.1 引言
• 3.2 轴向磁悬浮轴承的有限元模态分析
• 3.2.1 模态分析各参数确定
• 3.2.2 模态分析过程
• 3.2.3 分析结果与数据解析
• 3.3 偏置电流对轴向磁轴承系统模态参数的影响分析
• 3.4 小结
• 第4章 五自由度磁悬浮轴承的有限元模态分析
• 4.1 引言
• 4.2 模态分析过程
• 4.2.1 创建几何实体模型
• 4.2.2 定义单元类型、划分网格
• 4.2.3 加载与静力求解
• 4.2.4 后处理与模态求解
• 4.3 结果分析与数据解析
• 4.3.1 当轴向磁隙变化时系统的模态分析结果
• 4.3.2 当X方向磁隙变化时系统的模态分析结果
• 4.3.3 当Y方向磁隙变化时系统的模态分析结果
• 4.3.4 结果数据解析
• 4.4 偏置电流对五自由度磁轴承系统模态参数的影响分析
• 4.5 小结
• 第5章 磁悬浮轴承的试验模态分析
• 5.1 引言
• 5.2 试验模态分析系统及理论
• 5.2.1 试验模态测试系统
• 5.2.2 瞬态激励模态测试原理
• 5.3 轴向磁轴承试验台的试验模态分析
• 5.3.1 试验台结构及试验设计
• 5.3.2 试验结果
• 5.3.3 建立振型
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 轴向磁轴承刚度和阻尼随磁隙变化的计算结果
• 0 变化的计算结果'>附录2 轴向磁轴承刚度和阻尼随偏置电流I₀变化的计算结果
• 附录3 五自由度磁轴承系统刚度和阻尼计算结果
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢