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1、磁懸浮軸承理論研究及應(yīng)用,馬俊 導師：李自貴 機電二班 s20110218,1. 前言 2. 電磁軸承工作原理及數(shù)學模型 3. 電磁軸承的故障診斷 4.電磁軸承的應(yīng)用 5. 總結(jié)與展望,1.前言,所謂的磁懸浮軸承就是利用磁性原理使之沒有機械接觸的軸承。 從本質(zhì)上說，任何一個磁懸浮問題，歸納起來就是一個磁浮軸承問題，其機理基本一致，研究方法也類似。磁浮軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子無接觸地懸浮在空間的新型機電一體化軸承，它綜合運用了機械學、轉(zhuǎn)子動力學、電磁學、電子學、控制理論和計算機科學等多學科的知識，是一項高科技前沿技術(shù)。,1.1電磁軸承的優(yōu)缺點,優(yōu)點：電磁軸承因軸與軸承無直接接觸，不需潤滑，能在真
2、空中和很寬的溫度范圍內(nèi)工作，摩擦阻力小，不受速度限制（有的轉(zhuǎn)速高達2300萬轉(zhuǎn)/分,線速度高達3倍音速）,使用壽命長,結(jié)構(gòu)可多樣化。 缺點：靜電軸承需要很大的電場強度,應(yīng)用受到限制，只能在少數(shù)儀表中使用。,1.2磁懸浮技術(shù)發(fā)展狀況,20世紀60年代，世界上出現(xiàn)了3個載人的氣墊車實驗系統(tǒng)，它是最早對磁懸浮列車研究的系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是固體電子學出現(xiàn)，使原來十分龐大的控制設(shè)備變得十分輕巧，這就給磁懸浮列車技術(shù)提供了實現(xiàn)的可能。1969年，德國牽引機車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車系統(tǒng)模型，以后命名為TR01型，該車在1 km軌道上時速達165 km，這是磁懸浮列車發(fā)展的第一個里程碑。我國
3、對磁懸浮列車的研究起步晚，1989年3月，國防科技大學研制出我國第一臺磁懸浮試驗樣車。1995年，我國第一條磁懸浮列車試驗線在西南交通大學建成，并且成功進行穩(wěn)定懸浮導向驅(qū)動控制和載人運行等時速為300 km的試驗。,西南交通大學這條試驗線的建成，標志我國已經(jīng)掌握了制造磁懸浮列車的技術(shù)，上海將輔設(shè)13.8 km的磁懸浮鐵路，那時我國將成為世界上第一個具有磁懸浮運營鐵路的國家。,,,當前，國際上對磁懸浮軸承的研究工作也非?；钴S。1988年召開了第一屆國際磁懸浮軸承會議，此后每兩年召開一次。1991年，美國航空航天管理局還召開了第一次磁懸浮技術(shù)在航天中應(yīng)用的討論會?，F(xiàn)在，美國、法國、瑞士、日本和我國
4、都在大力支持開展磁懸浮軸承的研究工作。國際上的這些努力，推動了磁懸浮軸承在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。 國內(nèi)對磁懸浮軸承的研究工作起步較晚，尚處于實驗室階段，落后外國約20年。1986年，廣州機床研究所與哈爾濱工業(yè)大學首先對“磁力軸承的開發(fā)及其在FMS中的應(yīng)用”這一課題進行了研究。此后，清華大學、西安交通大學、天津大學、山東科技大學、南京航空航天大學等都在進行這方面的研究工作。,1.3磁懸浮軸承的分類,2.電磁軸承工作原理及數(shù)學模型,定義：利用電場力、磁場力使軸懸浮的滑動軸承。 組成：實際使用的電磁軸承一般由徑向軸承、推力軸承、伺服控制回路、阻尼器、速度傳感器或位置傳感器等組成。 分類：根據(jù)使軸承
5、懸浮的力的來源的分類如右圖所示。,一個轉(zhuǎn)子要實現(xiàn)完全的懸浮需在其五個自由度上施加控制力，即需要兩個徑向軸承和一個推力軸承。這樣的三個磁力軸承和轉(zhuǎn)子加上電子控制器就構(gòu)成了一個完整的電磁軸承系統(tǒng)（簡稱AMBS）。一個完整的電磁軸承系統(tǒng)通常包括2個徑向軸承和1個軸向軸承及其控制系統(tǒng)；每個徑向軸承有2個自由度，每個軸向軸承有1個自由度，這樣一個電磁軸承共有5個自由度。,2.1電磁軸承的工作原理,圖1 單自由度磁軸承系統(tǒng)原理圖工作原理：轉(zhuǎn)子在偏置電流I0的作用下處于平衡位置x0，若某時刻出現(xiàn)一干擾f0，轉(zhuǎn)子就會偏離平衡位置，偏移為x，為使軸承回到平衡位置，須加上控制電流ic，使電磁鐵的磁力增加，電磁鐵的
6、磁力減小。此時轉(zhuǎn)子所受的力為：,,其中：u。是導磁率，S為氣隙截面積，N線圈匝數(shù)。對式（1）在（ x0 =0， ic =0）處線性化，在不考慮其他情況下，由牛頓第二定律得：,2.2 磁懸浮軸承數(shù)學模型,磁懸浮主軸的總體結(jié)構(gòu) 五自由度主軸電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。轉(zhuǎn)子兩端各有一個輔助軸承，在軸承正常工作期間，輔助軸承不與轉(zhuǎn)子接觸。當突然斷電，或者主動磁軸承失控時，輔助軸承起臨時支撐高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子接觸，防止轉(zhuǎn)子與電機定子及主動磁軸承定子相碰撞而損壞整個系統(tǒng)。當磁軸承不工作時，轉(zhuǎn)子也應(yīng)落在輔助軸承上，對轉(zhuǎn)子在徑向和軸向起保護作用。圖中前徑向軸承3和后徑軸承7制約徑向兩個平動和轉(zhuǎn)動，軸向軸承
7、4制約軸向運動。整個主軸裝有五個渦流式傳感器。,,1-輔助軸承 2-徑向傳感器 3-前徑向軸承4-軸向軸承 5-高頻電機 6-轉(zhuǎn)子 7后徑向軸承 8-軸向傳感器圖2.7 磁懸浮主軸單元結(jié)構(gòu)布置圖,根據(jù)分析，可以將一個五自由度的模型分解成兩個二自由度和一個軸向單自由度分別考慮。這樣，問題簡化為建立二自由度問題數(shù)學模型。以此，下面我們對這兩自由度子系統(tǒng)在x-z平面進行分析，同理可以知道y-z平面數(shù)學模型。,模型,剛性 轉(zhuǎn)子 模型,柔性 轉(zhuǎn)子 模型,,,高速模型,低速模型,模型簡化原則,彈性轉(zhuǎn)子數(shù)學模型,集中參數(shù)法,,,,,,在完整的電磁軸承系統(tǒng)中，電磁鐵的作用是為保持轉(zhuǎn)子在預(yù)定位置上的穩(wěn)定懸浮提供
8、電磁力。當轉(zhuǎn)子中心發(fā)生偏移時，偏移量由位置信號傳感器拾取后送到調(diào)節(jié)電路及功率放大電路，輸出一個控制電壓或電流，調(diào)節(jié)電磁鐵的磁場力，使轉(zhuǎn)子回到正常位置。,,輔助軸承,徑向軸承,3 .電磁軸承的故障診斷,故障診斷本身是一個永無止境的問題，不同的系統(tǒng)和設(shè)備各有自己的故障診斷方法，但也有一些共同方法，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)、遺傳算法、粗集理論、專家系統(tǒng)、知識庫、冗余與容錯技術(shù)等。,與傳統(tǒng)機械軸承不同，磁懸浮軸承需要一套電控系統(tǒng)來維持其工作，電控系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器和驅(qū)動器。其中控制器是電磁軸承系統(tǒng)重要的環(huán)節(jié)，其性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項技術(shù)指標有密切關(guān)系。,3.1 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道的故障診斷 磁
9、力軸承控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道包含:從傳感器采集的轉(zhuǎn)子位移數(shù)據(jù)，直到形成電磁鐵線圈的反饋控制電流的整個過程中的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、控制與傳輸通道。只有數(shù)據(jù)通道正常工作，才能穩(wěn)定地控制磁懸浮轉(zhuǎn)子。數(shù)據(jù)通道故障診斷的主要內(nèi)容就是對通道中的各個組成部分進行檢測、測試與診斷。具體實現(xiàn)過程針對以基于工控機和所采用的PCI一1711工控卡為硬件基礎(chǔ)的控制通道。,PCI-1711數(shù)據(jù)采集模塊,PCI一1711工控卡組成框圖,（1）. 控制系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的故障診斷方法：輸入標準模擬信號，檢測轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，與理論上的數(shù)字信號進行比較。具體操作過程采用“三點檢測法”，所謂“三點檢測法”就是輸入的模擬信號分別為最大值(
10、sv)、中間值(2.5v)和最小值(Ov)，檢測相應(yīng)的12位數(shù)字信號。,（2）.D/A轉(zhuǎn)換部分的故障診斷方法是:用程序控制12位數(shù)字量從全“0”依次均勻增大到全“1”，用示波器觀察所產(chǎn)生的模擬信號，應(yīng)為均勻的鋸齒波，從波形不僅可以看出模擬電壓的最大值和最小值，而且還能看出鋸齒波在一個周期內(nèi)是否是理想直線。,（ 3）.對功率放大器的測試，可以直接輸入標準電壓信號檢測輸出相應(yīng)的電流信號。,3.2 傳感器故障診斷,主動磁懸浮軸承在工作時需要用位移傳感器實時檢測轉(zhuǎn)子的位置。大多數(shù)主動磁懸浮軸承都采用渦流位移傳感器。在主動磁懸浮軸承中, 渦流位移傳感器的傳感頭與轉(zhuǎn)子的間隙一般小于1 mm, 傳感頭在工作
11、過程中要經(jīng)受振動、高速氣流等考驗, 工作環(huán)境比較惡劣, 是整個傳感器中最容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)。主動磁懸浮軸承系統(tǒng)常常采用差動式位移傳感器以提高位移檢測的性能。 從傳感器的功能角度來看，其故障失效形式有兩種，一種問完全失效；另一種為部分失效。,,以差動式位移傳感器為例,根據(jù)差分電路的特點，假設(shè)Ks1=Ks2=Ks,則Vd=Ks(d1-d2),圖一,此特征可以用來檢測傳感器的故障: 當兩個傳感器的特性相同時，只要Vd不為零, 就表明某個傳感器有故障。而實際應(yīng)用中，兩個位移傳感器的特性不可能完全一致，因此須設(shè)定一個允許的誤差容限Vtol, 如果兩個傳感器的差值信號滿足如下關(guān)系式 則可確定兩個傳感器
12、沒有故障。,基于傅里葉變換的傳感器的故障診斷 控制器的輸出信號和傳感器干擾信號及轉(zhuǎn)子干擾力之間的關(guān)系為： 控制器的輸出信號包含兩部分，一部分和傳感器故障有關(guān)，一部分和轉(zhuǎn)子所受干擾力有關(guān)。令 當傳感器1失效時有,當傳感器2失效時,綜上結(jié)論得：,其中n=1,2分別對應(yīng)傳感器1故障和傳感器2故障。 因此可以通過Ucs和Vd的相位關(guān)系就可以確定發(fā)生故障的傳感器。通過比例系數(shù)的正負來判斷哪個傳感器發(fā)生故障。,3.3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障診斷,（1）.當轉(zhuǎn)子處于磁懸浮狀態(tài)但不旋轉(zhuǎn)時 采用振動與測試系統(tǒng)進行振動測試，并采用自身的加速度傳感器測試轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)但不旋轉(zhuǎn)時的振動規(guī)律。根據(jù)轉(zhuǎn)子的三個獨立方向
13、的振動頻率和幅值并不相同，但沒有明顯差異這個結(jié)論，當測試結(jié)果得出的振動特性與上述結(jié)論不同時，即為轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障。,磁懸浮轉(zhuǎn)子實物圖,（2）.當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的故障診斷 轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時比不旋轉(zhuǎn)時更劇烈的振動，不近轉(zhuǎn)子會振動，定子也會振動。在正常情況下，定子和轉(zhuǎn)子的振動特性 都是相對穩(wěn)定的，如果定子的振動頻率和幅值大聲明顯的變化，可作為故障診斷的依據(jù)。通過利用階次分析，測試不同轉(zhuǎn)速下定子和轉(zhuǎn)子的振動頻率和幅值，得出頻率、幅值和階次的關(guān)系，得出振動的固有頻率，區(qū)分振動產(chǎn)生的根源，進行故障定位。,電磁軸承的性能指標,800000r/min,靜態(tài)品質(zhì)指標和動態(tài)品質(zhì)指標,4.電磁軸承的應(yīng)用,結(jié)合電磁軸承的優(yōu)缺
14、點，電磁軸承已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如超高速列車、超高速離心機、水輪發(fā)電機、空間飛行器的角動量飛輪、流量計、密度計、功率表、真空泵、精密穩(wěn)流器和陀螺儀（利用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。）等。,4.1 磁懸浮列車 原理：磁懸浮列車利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約1厘米處，騰空行駛.,4.2 高速精密機床,配有數(shù)控式磁軸承的銑床主軸，用于高速銑削，轉(zhuǎn)速40000r/min,切削功率40kw,4.3 散熱器,4.4 風力發(fā)電機中應(yīng)用,4.5 航空航天中應(yīng)用,飛輪,北航先進慣性儀表與導航技術(shù)創(chuàng)新團隊,控制遙感衛(wèi)星穩(wěn)定,5. 總結(jié)與展望,磁懸浮軸承的控制器以及傳感器對軸承的穩(wěn)定性有較大的影響。磁懸浮軸承是一項新興的技術(shù)，其優(yōu)點引起了人們極為強烈的關(guān)注。但是，到目前為止，國內(nèi)外還沒有特別成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，這就需要我們?nèi)ゲ粩嗟呐?，彌補磁懸浮技術(shù)的空白。,謝謝！,
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