恒流源偏置的磁悬浮轴承的研究

论文摘要

本文首先研究了恒流源偏置的磁悬浮轴承的两种线圈结构:单绕组结构和双绕组结构,给出了结构参数。并且使用有限元方法仿真计算了在相同的电流条件下,这两种结构产生的磁通密度和同一个电磁铁下两个磁极气隙处的磁通密度的差值,结果表明:单绕组结构的磁通密度小于双绕组结构的磁通密度;单绕组结构两个气隙处的磁通密度相差60%左右,而双绕组结构两个气隙处的磁通密度只相差1%。因此,双绕组结构的磁场分布优于单绕组结构的磁场分布。本文设计制造了径向恒流源偏置的磁悬浮轴承试验台,并对双绕组结构的恒流源偏置的磁悬浮轴承进行了试验研究,一是改变控制线圈的接线方式;二是对磁悬浮轴承做激振试验;三是和传统的主动磁悬浮轴承做对比试验。试验表明:控制线圈不管是并联接线方式还是串联接线方式,恒流源偏置的磁悬浮轴承转子都能稳定悬浮,悬浮性能不受影响;通过在控制系统中的功放输入端加入±1V的正弦波信号来模拟转子受到外界干扰,发现转子仍能够悬浮在平衡位置;分别对传统的主动磁悬浮轴承和恒流源偏置的磁悬浮轴承做激振试验,他们都能悬浮在平衡位置,而且他们的承载力相同。以一个自由度为例,计算了偏置电流为2A,偏置线圈匝数为120匝时,五自由度的恒流源偏置的磁悬浮轴承的功耗为125.3W,发现它比传统的主动磁悬浮轴承的功耗减少了55.2%,比永磁偏置的磁悬浮轴承的功耗增加了148.1%。研究表明恒流源偏置的磁悬浮轴承比永磁偏置磁悬浮轴承磁场可控,结构简单;比传统的主动磁悬浮轴承设计简单,功耗小,具有广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮轴承概述
• 1.1.1 磁悬浮轴承的工作原理
• 1.1.2 磁悬浮轴承的特点
• 1.1.3 磁悬浮轴承的研究现状
• 1.1.3.1 国外磁悬浮轴承的研究现状
• 1.1.3.2 国内磁悬浮轴承的研究现状
• 1.2 恒流源偏置的磁悬浮轴承概述
• 1.2.1 恒流源偏置的磁悬浮轴承的提出
• 1.2.2 恒流源偏置的磁悬浮轴承的研究现状
• 1.3 课题的背景和意义
• 1.4 课题的主要工作
• 1.5 论文的内容安排
• 第二章 恒流源偏置的磁悬浮轴承系统
• 2.1 恒流源偏置的磁悬浮轴承系统工作原理
• 2.2 恒流源偏置的磁悬浮轴承与其他轴承的异同
• 2.3 恒流源偏置的磁悬浮轴承的优缺点
• 2.3.1 恒流源偏置的磁悬浮轴承的优点
• 2.3.2 恒流源偏置的磁悬浮轴承的缺点
• 2.4 恒流源偏置的磁悬浮轴承控制系统简介
• 2.4.1 传感器及其处理电路
• 2.4.2 控制器
• 2.4.3 功率放大器
• 2.4.3.1 单向功放
• 2.4.3.2 双向功放
• 2.5 本章小结
• 第三章 恒流源偏置的磁悬浮轴承结构
• 3.1 恒流源偏置的磁悬浮轴承的磁结构研究
• 3.1.1 磁极研究
• 3.1.2 磁路研究
• 3.1.3 线圈结构
• 3.2 恒流源偏置的磁悬浮轴承的结构参数
• 3.2.1 系统静态工作点磁感应强度
• 3.2.2 稳态单边气隙
• 3.2.3 磁动势
• 3.2.4 线圈中直流激励电流（偏置电流）
• 3.3 本章小结
• 第四章 恒流源偏置的磁悬浮轴承仿真研究
• 4.1 使用ANSYS 软件进行电磁场分析的步骤
• 4.2 恒流源偏置的磁悬浮轴承的有限元求解过程
• 4.2.1 单绕组结构有限元求解过程
• 4.2.1.1 单绕组结构的物理模型
• 4.2.1.2 单绕组结构的网格模型
• 4.2.1.3 给单绕组结构的有限元模型加载求解
• 4.2.2 双绕组结构有限元求解过程
• 4.2.2.1 双绕组结构的有限元模型
• 4.2.2.2 给双绕组结构的有限元模型加载求解
• 4.3 仿真研究
• 4.3.1 磁路仿真验证
• 4.3.2 磁场分布图
• 4.3.3 不同结构磁通密度的比较
• 4.3.4 同一个电磁铁下两个磁极气隙处磁通密度的比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 试验研究与功耗计算
• 5.1 机械结构
• 5.2 电控系统调试
• 5.2.1 恒流源的设定
• 5.2.2 传感器的标定
• 5.2.3 PID 参数的调节方法
• 5.3 试验研究
• 5.3.1 静态悬浮试验
• 5.3.2 施加干扰激励后的悬浮试验
• 5.3.3 控制线圈并联接线方式的试验研究
• 5.3.4 与传统的主动磁悬浮轴承的对比试验
• 5.4 系统功耗和功放效率
• 5.4.1 系统功耗
• 5.4.2 功放效率
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 有关进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果