磁液双悬浮轴承单自由度支承系统解耦控制研究

磁液双悬浮轴承是以电磁悬浮为主，静压为辅的一种新型支承轴承，能够大幅度提高承载能力及刚度，适于中速重载的场合。由于液体静压系统特性为小间隙、强阻尼、正刚度、斥力型，而电磁悬浮系统特性为大气隙、弱阻尼、负刚度、吸力型，且两系统共同支承时相互耦合，互为干扰，大幅降低了支承系统的运行稳定性，因此本文拟研究磁液双悬浮轴承单自由度磁液两支承系统之间的耦合特性，揭示其耦合力的产生机理并设计解耦控制器。首先，本文介绍了磁液双悬浮轴承的结构特点、单自由度支承系统的受力形式以及控制调节机理。然后，建立了磁液双悬浮轴承单自由度支承系统的数学传递函数，揭示磁液两支承系统之间的耦合特征及影响规律。最后，设计了类前馈解耦控制器及对角阵解耦控制器，并通过Simulink模块对比分析了两种解耦控制器的解耦效果。研究表明：两种解耦控制器均能够有效减小单自由度磁液两支承系统间的耦合程度，但类前馈解耦控制器比对角阵解耦控制器具有更好的稳定性、准确性，更适用于磁液双悬浮轴承单自由度磁液两支承系统的解耦控制。本论文能够为磁液双悬浮系统的稳定控制提供理论参考。     

磁液双悬浮轴承单自由度支承系统稳定性分析

磁液双悬浮轴承采用液体静压与电磁悬浮的双重支承形式,在大幅度提高承载能力及刚度的同时,也使得其稳定性的影响因素较多,易诱发其支承系统运行不稳定。然而稳定性又是磁液双悬浮轴承结构设计及性能分析的前提及基础,因此本文拟对磁液双悬浮轴承单自由度支承系统进行稳定性分析及校正。首先,本文介绍了磁液双悬浮轴承的结构特点、支承调节机理。接着,基于力学平衡方程、电磁方程及流量方程,推导了轴承单自由度支承系统的传递函数,并对其支承稳定性进行了分析。研究表明:轴承单自由度支承系统存在右端极点是系统本质不稳定的主要原因。最后,采用根轨迹法与频率法对单自由度支承系统进行了稳定性校正,并利用Matlab软件对校正后的单自由度支承系统进行了检验。结果表明:校正后的支承系统稳定性得到了大幅度提升及具有良好动态品质。本文所做研究能够为磁液双悬浮轴承系统的结构设计及性能分析提供理论参考。     

磁液双悬浮轴承单自由度支承系统稳定性分析（英文）

磁液双悬浮轴承采用液体静压与电磁悬浮的双重支承形式,在大幅度提高承载能力及刚度的同时,也使得其稳定性的影响因素较多,易诱发其支承系统运行不稳定。然而稳定性又是磁液双悬浮轴承结构设计及性能分析的前提及基础,因此本文拟对磁液双悬浮轴承单自由度支承系统进行稳定性分析及校正。首先,本文介绍了磁液双悬浮轴承的结构特点、支承调节机理。接着,基于力学平衡方程、电磁方程及流量方程,推导了轴承单自由度支承系统的传递函数,并对其支承稳定性进行了分析。研究表明:轴承单自由度支承系统存在右端极点是系统本质不稳定的主要原因。最后,采用根轨迹法与频率法对单自由度支承系统进行了稳定性校正,并利用Matlab软件对校正后的单自由度支承系统进行了检验。结果表明:校正后的支承系统稳定性得到了大幅度提升及具有良好动态品质。本文所做研究能够为磁液双悬浮轴承系统的结构设计及性能分析提供理论参考。     

龙门加工中心移动横梁模糊PID控制器的设计与仿真

磁悬浮系统是典型的非线性迟滞系统,针对其特点提出了可以显著降低悬浮磁铁功耗的电磁永磁混合悬浮技术.为了解决电磁铁线圈中的电流变化对总体刚度的影响,采用双闭环控制系统,即在位置环内引入电流环,构成位置电流双闭环系统.根据机床加工过程的特点,设计出符合机床悬浮横梁要求的模糊PID控制器.通过仿真结果的比较,可以看出采用模糊PID控制器提高了悬浮系统的刚度,能够满足机床磁悬浮横梁系统的精度要求.     

超导球转子悬浮特性分析及实验研究

介绍了超导球转子的悬浮结构和原理。讨论了悬浮结构的电磁分布特点和悬浮力的计算。进行了超导球转子的悬浮实验,通过控制悬浮电流可将转子悬浮在旋转轴方向上的任意高度。结果为进一步提高转子悬浮的稳定性和刚度提供了参考。     

基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的特性研究

随着超精密加工技术和地面微低重力仿真的发展,相关产业对空气静压轴承的性能要求越来越高。由于传统的孔式节流器其结构特点不能完全满足实际使用的需要,节流孔直径与气膜间隙同一数量级的微孔节流空气静压轴承因其良好的刚度和承载特性,越来越受到关注。但在微孔节流器的发展过程中,微孔的加工工艺却限制了其推广应用。针对目前常用的三类微孔加工工艺,进行了理论仿真研究,通过建立不同加工工艺轴承仿真模型,运用双向流固耦合仿真方法,对比分析了基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的动静态特性。研究结果表明：锥孔类轴承承载性能优于其他两类,但耗气量大且在小间隙时刚度较差;薄壁直孔类轴承承载性能稍逊,但在大间隙下轴承刚度较佳;嵌套类轴承承载性能较差,但在小间隙下轴承刚度较大且耗气量较低。     

龙门加工中心磁悬浮刚度控制的研究

大型龙门加工中心磁悬浮横梁刚度的要求不同于磁悬浮列车及其它磁悬浮装置的要求,针对其特点提出了可以显著降低悬浮磁铁功耗的电磁永磁混合悬浮技术.为了解决电磁铁线圈中的电流变化对总体刚度的影响,采用双闭环控制系统,即在位置环内引入电流环,构成位置电流双闭环系统.根据机床加工过程的特点以及模糊规则等控制器参数选定的繁琐性,设计出符合机床悬浮横梁要求的遗传算法模糊PID控制器.仿真结果表明,将遗传算法引入模糊PID控制器中可以提高悬浮系统的刚度,满足了机床磁悬浮横梁系统的精度要求;同时遗传算法的优化效果十分显著,使得模糊PID控制器各项参数的确定更具有综合性和科学性.     

径向型超导轴承的计算和实验研究

针对应用于离心式氦气冷压机的径向型高温超导磁悬浮轴承,给出了永磁转子磁场计算和结构设计方法,并开展了轴承径向力和径向刚度的计算研究,搭建了超导轴承性能测量平台,开展了轴承转子空间磁场测量和轴承性能测试。计算和测试结果表明,磁场计算方法可行,且结果准确,在距离永磁转子外表面1 mm处的最大外磁场强度约为0.5 T。轴承径向力在场冷和零场冷条件下的计算结果均随转子偏心量的增大而增大,与测试结果在线性度和趋势上具有很好的一致性。本文实验轴承径向刚度测试值为362.4 N/mm,与场冷条件下的径向刚度计算结果334.594 N/mm接近。本文所述的径向轴承磁力计算方法可用于超导轴承径向刚度的定性计算和设计,对超导轴承的应用研究具有一定的指导意义。     

磁共振成像超导接收线圈品质因数的实验研究

射频接收线圈是磁共振成像系统中的重要部件,主要针对超导接收线圈的品质因数进行实验研究,并给出了测试原理和方法。使用一种双探测线圈法对Bi2223/Ag超导带材制作的接收线圈在室温和液氮温度下的品质因数进行了测试,并与铜制谐振回路的测试结果进行对比分析。结果表明,在77K下超导接收线圈比室温下铜线圈的品质因数高约两倍。这说明使用超导材料制作射频接收线圈,可有效提高谐振回路的品质因数,从而进一步改善磁共振成像系统的信噪比及成像质量。     

混合式变刚度磁弹簧力学特性研究北大核心

基于磁通叠加原理,提出一种混合式变刚度磁弹簧,具有刚度快速调节特性,可作为柔性机器人关节的弹性部件。在通入电流时,通过改变电流实现磁弹簧的刚度变化范围的调节;在未通入电流时,机构间只存在永磁磁通,在永磁力作用下可实现弹簧自复位。通过等效磁荷法、间隙磁导法和虚位移法推导出了磁弹簧的轴向磁力解析模型,基于有限元分析确定了线圈-永磁环的最优布置形式,并对机构参数进行了优化设计,使机构的输出刚度变化范围最大化。有限元仿真与模型计算共同表明,轴向磁力与刚度随着气隙变化呈先平缓后急剧增加的非线性关系;输出力和刚度与线圈电流近似线性关系;通过控制电流的大小和方向,可以控制混合式变刚度磁弹簧的刚度增减。     

超薄超导材料特性及应用

介绍和讨论低温和高温超导超薄材料的制备及超导特性,并和普通非超薄超导材料特性相比较。超薄超导材料可以用于制备超导单光子探测器(Supercon ducting Single Photon Detector,简称SSPD)和超导热电子测辐射热仪(Superconducting Hot Electron Bolometer,简称SHEB)。详细分析并讨论其应用。     

高2223相含量粉末扩散连接BSCCO带材

采用压制和高温烧结工艺获得了2223相含量达88.5%的粉末中间层,压制工艺有利于提高粉末中2223相的含量.用上述粉末实现了61芯BSCCO带材的超导扩散连接.结果表明,当连接温度为800℃、保温时间为2 h及压力为3 MPa时,接头平均超导连接效率CCRo可到达49.9%;粉末中2223相含量增加,接头连接效率提高.连接参数对接头显微组织的影响既明显又复杂.     

不同厚度Tl-2212薄膜的表面形貌及超导特性研究

采用直流磁控溅射法和后退火技术在蓝宝石基片上制备了Tl-2212超导薄膜,考察了Tl-2212薄膜的厚度对其形貌和超导特性的影响。实验结果表明,随着超导薄膜厚度增加,其表面形貌由致密平整的结构演化为片状晶体结构,临界转变温度Tc和临界电流密度Jc先增大后减小,微波表面电阻Rs先减小后增大。在退火的CeO2缓冲层上所制备的无裂纹薄膜的最大厚度达到600nm,并仍然具有良好的超导性能。     

超导块材磁体在高温超导磁悬浮车系统中的两种潜在应用

研究了超导块材磁体在高温超导磁悬浮车系统中的2种潜在应用。高温超导YBCO块材经过Lakeshore恒磁场充磁机充磁之后,利用高温超导磁悬浮测试装置研究了其在永磁轨道上方的悬浮和导向性能;实验发现2种不同充磁方向励磁的块材磁体表现出明显不同的行为,其中一种对悬浮力帮助比较大,另一种则对导向力帮助比较大。这一结果可以为某些特殊需求(如重载、弯道运行等)的高温超导磁悬浮车系统设计提供一定的实验依据。     

直接扩散连接制备多芯Bi系超导带材超导接头

采用扩散连接方法对61芯Bi系高温超导带材(BSCCO)进行连接,研究了连接温度、保温时间、连接压力对接头超导电性的影响规律,并对超导接头的组织进行了微观分析.结果表明,连接温度对接头的超导性能影响较大,保温时间和连接压力在一定的范围内,对接头的超导性能影响不大;当连接温度为820 ℃,保温时间120 min,连接压力3 MPa时,接头获得最佳的超导电性能,接头的超导性能达到了原始母材的65.9%.微观分析表明,接头界面区域组织致密,主要由Bi-2223相和少量的Bi-2212相构成.     

稀土在高温超导材料中的应用

简要介绍了迄今后发现的各类含稀土超导材料;论述了稀土钡铜氧高温超导体在工艺上和技术应用上的进展;指出轻稀土钡铜氧特别是钕钡铜氧块材适于批量生产,具有经济。潜力。     

新型高温超导直线感应电机的设计及有限元分析

结合直线感应电机设计原理,对高温超导直线感应电机的结构进行设计和对电磁场进行研究,最后利用大型有限元软件ANSYS对电机的电磁场、电磁力等进行仿真,同时进行了数据对比,仿真结果和理论分析取得较好的一致性。     

超导电机效率和容量之间关系的分析

通过对超导电机结构的研究,指出了其转子低温系统的主要漏热源,并逐项分析了这些漏热的大小与电机容量之间的相对关系。     

实用超导材料的发展演变及其前景展望

超导现象发现100年以来,各类新型超导体层出不穷,然而由于本征特性、低温条件、合成技术及环境因素等限制使许多超导材料失去了实用性。首先简要慨述了超导材料的应用,特别是在先进电网中的应用需求和前景,分析了国内外几种典型的实用超导材料的发展趋势和市场需求情况。给出了主要发达国家及我国的超导发展计划,指出了当前发展新型电力传输材料——第二代高温超导带材的必要性,并以上海市为例粗略展望了第二代高温超导带材及其强电应用技术包括城市电缆、超导限流器、超导变压器、超导电机等发展对社会生活和传统产业的重要影响和贡献。     

多芯铋系超导材料轧制过程中的变形分布研究

塑性变形是铋系超导带材加工的必要手段,多芯超导体在成形过程中的变形分布对成形质量具有重要影响。文章对多芯超导带材在轧制过程中不同加工道次变形横截面的形貌进行处理,给出了超导带材多芯的变形形貌及其变化规律,涉及各超导芯在轧制过程中的轧制方向和横向的应变分布;并结合塑性加工的变形理论对分布规律进行分析。取得的研究结果可以为开展铋系高温超导带材的数值模拟提供实验基础,并为改进超导带材生产工艺、提高带材性能提供重要参考。