主动磁力轴承支承特性的理论与实验研究

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轴承的本质是为转子提供支承,即提供刚度与阻尼,主动磁力轴承也不例外。与传统轴承不同的是,主动磁力轴承的刚度与阻尼可以在线动态调整,这也正是它能够被广泛应用的主要优点之一。然而,主动磁力轴承要实现刚度阻尼的可控可调并非容易,它涉及到机械、控制、磁场、电子、测试等多学科领域知识,是典型的非线性、强耦合系统,多年来其研究无论在理论上还是在实验中,都没有取得实践性的进展。随着主动磁力轴承在工业、军事领域越来越广泛的应用,其支承特性的研究与解决显得愈加迫切。为此,本文尝试从理论与实验两方面入手,研究主动磁力轴承的支承特性。   在对国内外同类研究现状进行仔细分析基础上,从单自由度磁悬浮小球实验入手,研究小球起浮阶段、稳定阶段、受外力作用阶段、稳定工作阶段四个阶段磁悬浮系统的支承特性,从起始位置、起始电流、控制参数的改变来获得小球在不同阶段的悬浮状态,并通过理论对实验现象与结果进行了论证。   为了实现转子加载实验,以磁悬浮盘片为研究对象,分别采用三种控制方法:常规PID、积分分离式PID、模糊PID,在盘片上直接加载砝码力与通过B&K振动仪对盘片进行正弦激振,获得盘片稳定工作阶段的位移;计算不同外力大小、不同频率下静刚度、动刚度1与动刚度2。比较不同控制方法下静刚度不同曲线;改变常规PID与积分分离式PID控制方法的比例系数、微分常数、积分常数,得不同控制参数下刚度曲线,分析不同控制参数对刚度的影响。   从单自由度进入两自由度磁力轴承的支承特性研究,两自由度径向磁力轴承存在着转子偏心现象,X与Y轴方向的电磁力产生耦合,通过积分法求解转子偏心时电磁力的计算公式。分析转子偏心距大小与偏心角度对电磁力的影响,推导出交叉刚度的计算公式,并分析影响交叉刚度的因素。   利用弹簧阻尼等效系统的振动理论,建立径向磁力轴承的振动模型与方程。讨论了有阻尼与无阻尼两种情况下,径向磁力轴承的自由振动响应曲线。分析X与Y轴方向振幅比、频率比与相位比对振动响应曲线的影响,寻找控制参数与转子运动轨迹之间的关系。求解受到外力干扰下的转子振动响应曲线;发现PID控制中积分项的出现使径向磁力轴承形如非线性振动方程,要采用非线性振动理论求解。为验证径向磁力轴承的支承理论,提出了一套实验方案。   最后将磁悬浮支承理论应用到双层隔振系统中,通过磁悬浮系统刚度阻尼可调的特性减小系统的振动,仿真表明,主动磁悬浮系统可实现双层隔振系统的隔振与降噪。  
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