摘 要

本文设计了一种径向磁力轴承工作特性实验装置，并通过悬浮实验验证了该型装置的悬浮可行性，为接下来的实验奠定了基础。

本文首先对国内外的研究现状进行了分析，进而提出了实验原理和实验方案并进行了针对性设计，设计包括机械和控制两部分，提出了机械、控制、传感器一体化的设计方案。完成了实验装置的制造、装配。搭建了实验所需的控制系统并对硬件部分进行了调试，设计了相应的控制软件，进行了传感器的计算与选型。在实验装置悬浮实验过程中，针对出现的问题，对实验装置进行了进一步的改进。最终，确定了控制参数实现了实验装置的悬浮，验证了实验装置的可行性。

关键词：径向磁力轴承；电磁摩擦；涡流；磁滞

Abstract

In this paper, a device for testing operating characteristic of radial magnetic bearings is designed whose feasibility is verified by the suspension experiment, which is designed to lay the foundation for the next experiment.

Firstly, the research status at home and abroad are fully analyzed, based on which the principle and scheme of the experiment are put forward and aiming designs are carried out which includes machine part and control part. Meanwhile, the integration design scheme of machine, control and sensor is proposed. Then, the manufacture and assembly of the experimental device are finished, which includes the set-up of control system, the debugging of hardware, the design of control software and the calculation and selection of the sensor.Next, the experiment device is optimized during the suspension experiment after existing problems specifically fixed. Finally, the control parameters are determined to realize the suspension of the experimental device, which verifies the feasibility of the experimental device.

Keywords: Radial magnetic bearing Electromagnetic friction vortex hysteresis

目录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2径向磁力轴承的工作原理及其优点 1

1.3电磁摩擦的概念 2

1.3.1涡流及磁滞 2

1.3.2电磁摩擦及其计算模型 3

1.4国内外研究现状 7

1.5本论文的研究工作 8

1.5.1研究目的 8

1.5.2研究方法 8

第二章 实验装置的机械结构设计 10

2.1装置的设计原理 10

2.1.1自由度简化原理 10

2.1.2实验装置悬浮实现原理 11

2.2装置整体结构 12

2.2.1支架及悬挂部分设计 12

2.2.2电磁铁设计选型 13

2.2.3转子圆盘设计及静平衡分析 15

2.3 本章小结 18

第三章 实验装置的控制检测部分设计 19

3.1 控制系统设计原理 19

3.2基于dSPACE的控制系统硬件设计 20

3.2.1控制系统硬件部分 21

3.2.2传感器选型及安装 22

3.3系统的软件部分（Matlab/Simulink）控制模型 24

3.4微摆角检测传感器选型 25

3.5本章小结 27

第四章 实验装置的改进设计 28

4.1圆盘单电磁铁实验装置 28

4.1.1圆盘电磁铁纵置实验装置 28

4.1.2圆盘电磁铁横置实验装置 30

4.2水平轨道单电磁铁实验装置 31

4.3本章小结 33

第五章 实验装置的悬浮实验 34

5.1 悬浮实验控制框图 34

5.2 悬浮实验 34

5.3 实验数据分析 36

5.4本章小结 37

第六章总结与展望 38

6.1总结 38

6.2展望 38

参考文献 40

致谢 42

第一章 绪论

1.1引言

磁悬浮支承作为一种新兴的支承方式目前得到了愈来愈广泛的应用，其有效避免了机械接触，完全消除了机械摩擦；此外磁悬浮以其刚度阻尼可调控、无需润滑、使用寿命长等特点，受到新型装备制造、航空航天等领域的重视^[1]。磁悬浮技术目前主要有两大应用。其一是移动支承，这里最典型的应用是磁悬浮列车；另一种是旋转支承，典型应用是磁力轴承。磁力轴承根据其所受载荷类型不同，又可分为径向磁力轴承和轴向磁力轴承两种。通常为实现对磁悬浮转子的5自由度约束，需要至少两个径向磁力轴承及一个轴向磁力轴承共同作用，而径向磁力轴承的结构和磁场分布比轴向磁力轴承复杂，这里选取径向磁力轴承为研究对象^[2]。

1.2径向磁力轴承的工作原理及其优点

径向磁力轴承工作时，定子与转子之间无任何机械接触，仅通过电磁力实现对转子的悬浮支承，因此其定子和转子间的摩擦力极小，转子转速理论上只受转子材料限制^[3]。

图1.1 径向磁力轴承系统 图1.2 径向磁力轴承实物图

如图1.1所示，径向磁力轴承系统主要由定子线圈、转子、位移传感器、功率放大器、控制器等组成。系统工作时：给定子线圈通电，利用其产生的电磁力使转子悬浮，通过位移传感器检测定转子间的气隙值，将此时的气隙与设定的转子悬浮气隙值对比，其差值作为定子线圈电流调整的依据，从而构成闭环的控制系统，使得转子能够保持稳定的悬浮状态，并且在受到振动、冲击等外载荷作用时，其具有较好的鲁棒特性^[4]。为确保系统刚度及阻尼特性较优，径向磁力轴承的定转子气隙，通常介于0.3～0.5mm，为保证对转子位置的有效监测，磁轴承定子上需要安装有2个或2个以上的位移传感器，以获得转子的确切位置信息。

1.3电磁摩擦的概念

1.3.1涡流及磁滞

通常意义上认为，磁力轴承完全消除了机械摩擦，转子的高速旋转不受摩擦阻力限制，无能量损耗。实际上，以磁悬浮飞轮电池为例，当飞轮转子在真空条件下处于稳定悬浮状态时，磁浮系统的执行器件会产生铜损，另外转子磁场强度的改变也会产生铁损（包括磁滞损耗和涡流损耗）^[5]。铜损由电磁铁绕组上线圈过电流产生，铜损由电流大小以及绕组本身的电阻特性决定。铁损则由正比于转速的磁滞损耗及正比转速二次方的涡流损耗两部分组成。

如图1.3所示，以径向磁力轴承为例，当转子旋转时，转子表面上任何一部分所经历的外磁场将从（N极）变到（S极），即其磁通密度及其极性在随随之变化，而在磁极以外的区域则不存在这种变化，这种交变的磁场在转子中产生涡流，涡流将会改变原有的磁场，形成涡流损耗^[6]。涡流损耗基本上正比于磁通变化频率的二次方，因此可以得出结论：涡流损耗正比于转子速度的二次方。在实际的应用中，可以通过增加铁芯电阻及采用叠片铁芯来减小涡流损耗的影响。