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1、磁懸浮軸承理論研究及應(yīng)用馬俊導(dǎo)師：李自貴機(jī)電二班s201102181.前言2.電磁軸承工作原理及數(shù)學(xué)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(jī)械接觸的軸承。從本質(zhì)上說，任何一個(gè)磁懸浮問題，歸納起來就是一個(gè)磁浮軸承問題，其機(jī)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(jī)電一體化軸承，它綜合運(yùn)用了機(jī)械學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)、電子學(xué)、控制理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，是一項(xiàng)高科技前沿技術(shù)。1.1電磁軸承的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電磁軸承因軸與軸承無直接接觸，不需潤滑，能在真空中
2、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(dá)2300萬轉(zhuǎn)/分,線速度高達(dá)3倍音速）,使用壽命長,結(jié)構(gòu)可多樣化。缺點(diǎn)：靜電軸承需要很大的電場強(qiáng)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?fàn)顩r20世紀(jì)60年代，世界上出現(xiàn)了3個(gè)載人的氣墊車實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)現(xiàn)的可能。1969年，德國牽引機(jī)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1km軌道上時(shí)速達(dá)165km，這是磁懸浮列車發(fā)展
3、的第一個(gè)里程碑。我國對磁懸浮列車的研究起步晚，1989年3月，國防科技大學(xué)研制出我國第一臺(tái)磁懸浮試驗(yàn)樣車。1995年，我國第一條磁懸浮列車試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)建成，并且成功進(jìn)行穩(wěn)定懸浮導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)控制和載人運(yùn)行等時(shí)速為300km的試驗(yàn)。西南交通大學(xué)這條試驗(yàn)線的建成，標(biāo)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)13.8km的磁懸浮鐵路，那時(shí)我國將成為世界上第一個(gè)具有磁懸浮運(yùn)營鐵路的國家。當(dāng)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(huì)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
4、討論會(huì)?，F(xiàn)在，美國、法國、瑞士、日本和我國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(dòng)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(shí)驗(yàn)室階段，落后外國約20年。1986年，廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jìn)行了研究。此后，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、山東科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等都在進(jìn)行這方面的研究工作。1.3磁懸浮軸承的分類按磁場力的來源電磁鐵型永久磁鐵型電磁鐵和永久磁鐵混合型2.電磁軸承工作原理及數(shù)學(xué)模型定義：利用電場力、磁場力使軸懸浮的滑動(dòng)軸承。組成
5、：實(shí)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)使軸承懸浮的力的來源的分類如右圖所示。靜電軸承組合式軸承磁力軸承電磁軸承一個(gè)轉(zhuǎn)子要實(shí)現(xiàn)完全的懸浮需在其五個(gè)自由度上施加控制力，即需要兩個(gè)徑向軸承和一個(gè)推力軸承。這樣的三個(gè)磁力軸承和轉(zhuǎn)子加上電子控制器就構(gòu)成了一個(gè)完整的電磁軸承系統(tǒng)（簡稱AMBS）。一個(gè)完整的電磁軸承系統(tǒng)通常包括2個(gè)徑向軸承和1個(gè)軸向軸承及其控制系統(tǒng)；每個(gè)徑向軸承有2個(gè)自由度，每個(gè)軸向軸承有1個(gè)自由度，這樣一個(gè)電磁軸承共有5個(gè)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
6、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(shí)刻出現(xiàn)一干擾f0，轉(zhuǎn)子就會(huì)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Ⅰ的磁力增加，電磁鐵Ⅱ的磁力減小。此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的力為：其中：u。是導(dǎo)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(xué)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(gè)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(dāng)突然斷電，或者主動(dòng)磁軸承失控時(shí)，輔助軸承起臨時(shí)支撐高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子
7、接觸，防止轉(zhuǎn)子與電機(jī)定子及主動(dòng)磁軸承定子相碰撞而損壞整個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)磁軸承不工作時(shí)，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(hù)作用。圖中前徑向軸承3和后徑軸承7制約徑向兩個(gè)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向軸承4制約軸向運(yùn)動(dòng)。整個(gè)主軸裝有五個(gè)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(jī)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(gè)五自由度的模型分解成兩個(gè)二自由度和一個(gè)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(xué)模型。以此，下面我們對這兩自由度子系統(tǒng)在x-z平面進(jìn)行分析，同理可以知道y-z
8、平面數(shù)學(xué)模型。模型剛性轉(zhuǎn)子模型柔性轉(zhuǎn)子
