可变磁路式永磁悬浮系统的动力学特性研究

介绍一种由伺服电机、盘状径向磁化永磁铁和导磁体组成的可变磁路式永磁悬浮系统。该系统中永磁铁提供悬浮力,伺服电机驱动盘状永磁铁旋转,改变通过悬浮物的磁通量,实现悬浮力的实时控制。该悬浮系统可以实现零吸引力,避免接触吸附问题,可以实现稳定状态下的零功率悬浮,达到节能减排的目的;可以任意改变磁极特性,实现在多自由度系统上的灵活应用。在综合考虑系统漏磁特性的条件下建立系统的参数化模型,分析系统的动力学和控制特性,然后进行系统的悬浮特性仿真研究,结果表明该系统在一定外扰下可实现稳定悬浮,并且具有较理想的时域和频域响应特性。     

可控磁路式并联型永磁悬浮系统

提出一种主要由伺服电机、径向磁化盘状永磁铁、"F"形导磁体及悬浮物构成的可控磁路式并联型永磁悬浮系统。系统中,并联悬浮物是置于导磁体正下方两个不同重量的铁球,伺服电机驱动盘状永磁铁旋转,改变通过悬浮物的有效磁通量,进而控制悬浮力大小,实现两铁球的稳定悬浮。根据系统结构及可控磁路式并联型永磁悬浮原理将系统模型简化,并建立系统的数学模型,分析使系统稳定悬浮的可能性,计算使系统稳定悬浮的PD控制器反馈增益范围。实验结果表明:在控制器参数满足计算范围条件下,当给系统一较小阶跃外扰时,在实时控制系统作用下,系统在很短的响应时间内可达到新的稳定悬浮状态;相同的外扰可导致左右球异向的位移响应结果,左球移动方向与外扰相同,而右球相反。     

Halbach阵列永磁悬浮带式输送机悬浮特性分析

悬浮力是决定永磁悬浮带式输送机工作能力最重要的参数。针对传统永磁悬浮带式输送机磁密利用率低、悬浮力及悬浮气隙小等问题,基于Halbach理论对传统悬浮模型进行改进,提出了Halbach型永磁悬浮带式输送机支撑结构。结果表明,新型模型磁场分布明显改进,磁场强度达到传统模型的2倍。在分析磁性带宽度、厚度和永磁体厚度对悬浮力的影响的基础上,对悬浮系统尺寸进行优化。结果显示,相同永磁体尺寸情况下Halbach结构可以获得更大的悬浮力,气隙越小,悬浮力差值越大。为永磁悬浮带式输送机结构优化设计提供了参考。     

数控机床用磁悬浮系统自抗扰控制仿真研究

为了实现磁悬浮系统悬浮气隙的精确控制,提出运用自抗扰控制技术对横梁悬浮系统进行悬浮气隙控制,自抗扰控制器可以将系统模型参数变化和外扰作用均当作对系统的扰动而自动在线估计并予以补偿.对横梁磁悬浮系统建立的原始数学模型选择状态变量,得到系统的非线性状态方程,以线圈两端电压为控制量,设计悬浮气隙位置环和电流环双环自抗扰控制器,实现横梁悬浮系统的非线性控制.仿真结果表明,自抗扰控制具有良好的动态性能和抑制外来扰动能力,可以实现横梁无摩擦稳定悬浮.     

基于电流反馈的MSCMG轴向磁轴承低功耗控制

为了进一步降低MSCMG永磁偏置轴向磁轴承的悬浮功耗,在建立其数学模型的基础上,针对传统定气隙控制在承受负载时线圈电流增大的问题,提出了基于电流积分正反馈的轴向磁轴承变气隙控制方法。该方法利用永磁偏置混合磁轴承的位移负刚度提供悬浮力,通过电流反馈改变转子悬浮参考位置来减小磁轴承线圈电流。仿真分析和试验结果表明,该方法具有良好的稳定性,与定气隙控制方法相比,磁轴承静浮时的铜耗降低了90%以上。     

单磁铁的静态磁场和悬浮力分析

以上海TR高速磁悬浮列车为分析对象，用ANSYS软件建立单磁铁模型，对其额定工况进行了静态磁场分析，着重分析了励磁电流和气隙高度的变化对悬浮力的影响，为悬浮电磁铁优化设计和磁浮列车的静止悬浮稳定性控制提供了依据。最后，通过电磁铁组合模型的静态磁场分析，证明了单磁铁分析结果的准确性。     

中低速磁浮列车悬浮磁铁特性研究

悬浮磁铁是中低速磁浮列车运行的关键部件,其工作特性直接影响悬浮系统的控制精度和稳定性。使用有限元分析软件ANSYS对中低速磁浮列车悬浮电磁铁的磁场进行静态分析,验证有限元模型的准确性;根据悬浮列车运行中存在的电流情况,分析悬浮电磁铁瞬态磁场,获得瞬态电流变化下悬浮电磁铁悬浮力,磁通密度和能量损失的变化规律;基于不同斜率的瞬态电流加载,分析了电流斜坡加载斜率与悬浮电磁铁悬浮力,电流斜坡加载斜率与能量损失之间的关系。研究可为磁悬浮列车的悬浮控制和节能设计提供参考。     

永磁悬浮无尘传送系统的悬浮特性及解耦控制仿真分析

介绍了一种永磁悬浮无尘传送系统。该系统采用两对双列对称布置的非接触主动永磁悬浮支承。悬浮支承中,永磁铁提供磁性力,伺服电机驱动永磁铁转动,通过改变悬浮支承与悬浮导轨间的磁通量实现悬浮力的实时控制。通过消除冗余的悬浮支承控制点建立悬浮系统的动力学模型,应用LQR控制方法仿真分析未解耦系统的悬浮特性,证明该系统的耦合性及不易控制性。此外,采用状态反馈解耦控制策略对系统进行解耦控制仿真,结果表明该策略可以使系统解耦,并具有较高的稳定性和较快的响应特性。     

交流感应磁悬浮技术的研究

基于电磁感应定律和励磁线圈与非磁性导体环间的等效电路模型,对处在交变磁场中的非磁性导体环受到的感应悬浮力进行了研究。非磁性导体环以铝环作为研究对象,提出了铝环受到感应悬浮力的测量方案,并设计了感应悬浮力的测量装置。对不同励磁线圈电流大小、电流频率、铝环相对线圈端部位移等参数条件下铝环受到的感应悬浮力进行了试验研究,并且利用有限元软件ANSOFT对各参数下的感应悬浮力进行了仿真分析。仿真和试验结果表明:铝环受到的感应悬浮力与电流的平方近似成正比关系;当励磁线圈电流频率大于50Hz时,增加线圈电流的频率,感应悬浮力的变化不明显;随着铝环和励磁线圈相对位移的增加,铝环受到的感应悬浮力明显减小。     

基于软翅的水平管气力输送系统实验研究

在水平管气力输送系统物料入口上游处安装不同长度自由摆动的软翅,通过软翅的振动增大粒子的悬浮力,使气力输送系统的能量充分地用于粒子加速,使得系统能在低速状态下安全稳定地运行,从而达到节能的目的。采用PIV技术分析粒子垂直方向的速度分量和粒子的可视化图像,以掌握软翅对粒子的悬浮作用规律;通过实验测量系统的压力损失、最小输送速度并计算能量损失系数,以验证软翅的节能效果。     

基于遗传算法的可控励磁直线磁悬浮同步电动机自抗扰控制

对可控励磁直线磁悬浮电动机控制系统提出基于遗传算法的自抗扰控制策略。根据可控励磁直线磁悬浮电动机的运行机理,建立其数学模型。设计反馈跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性反馈控制律,对传统函数fal进行改进,应用到控制器中。实现对给定信号的跟踪,并将系统耦合量和外界扰动作为系统的“总扰动”,并对总扰动进行观测与补偿。针对控制器中存在多个参数难以整定的问题,采用遗传算法对控制器参数进行寻优。对控制系统进行仿真研究,结果表明,基于遗传算法的自抗扰控制系统具有对参考信号良好的跟踪性能,以及对干扰信号的抑制能力。     

基于磁隙式吸附机构的槽车清洗机器人

给出了一种基于磁隙式吸附机构的槽车清洗机器人机构设计方案,采用磁隙式吸附装置平衡清洗作业过程中高压水枪反向冲击力产生的倾覆扭矩,提高系统稳定性裕度。建立数学模型描述清洗作业力学行为,利用有限元仿真优化磁吸附模块设计参数,计算不同气隙高度下单个磁吸附装置产生的吸附力。根据仿真结果,当采用2块40 mm×40 mm×15 mm与2块80 mm×40 mm×15 mm的永磁铁,磁铁间隙为10 mm,轭铁厚度为9 mm,气隙高度为10 mm时,单个磁吸附装置能够产生693 N的吸附力,槽车清洗机器人能够在20 MPa的清洗水压下稳定地工作。     

基于神经网络的磁悬浮球自适应控制器

建立了磁悬浮球系统的数学模型，讨论了系统的刚度阻尼和控制系统之间的关系。利用神经网络的学习功能在传统比例积分微分（PID）控制器的基础上构建了一种自适应PID控制器。用于磁悬浮球控制系统。实验结果表明，控制器结构简单，易于工程实现，可以实现磁悬浮球的稳定悬浮，并且系统具有快速响应性和良好的抗干扰性。     

磁悬浮永磁直线电动机及其控制系统研究

根据磁悬浮永磁直线电动机的特殊结构与运行机理,给出了电动机电磁推力和悬浮力的数学模型。建立了磁悬浮永磁直线电动机的有限元计算模型,对气隙磁密、电磁推力和悬浮力进行了有限元计算,并对气隙磁密作了谐波分析。设计了磁悬浮永磁直线电动机的研究样机,制作了磁悬浮子系统和进给伺服子系统,对系统进行实验研究,获得了磁悬浮子系统和进给子系统运行的实验结果。实验研究结果表明,该磁悬浮永磁直线电动机可实现直接驱动与无摩擦运行。     

A single dof magnetic levitation system using time delay control and reduced-order observer

Magnetic levitation systems are required to have a large operating range in many applications. As one method to solve this problem, Time Delay Control (TDC) is applied to a single-axis magnetic levitation system in this paper. A reduced-order observer is utilized to estimate states excluding measurable states in the control law. The system consists of a square air-core solenoid and a circular permanent magnet attached on a plastic ball. Theoretical magnetic forces of the system are obtained on the basis of the location of the magnet around the solenoid. The magnetic levitation force is obtained by the experiment, and then compared with the theoretical one. As the results of the control experiments, the nonlinear controller (TDC : 1–2 mm) has a larger operating range than the linear controller (PD control: 1–1.4 mm), and is superior to linear control in the robustness to the modeling uncertainty and the performance of the disturbance rejection.     

磁悬浮轴承磁路结构分析与数学模型建立方法

介绍了磁悬浮轴承系统构成和工作原理,从控制电流的性质、受控自由度数、悬浮力产生方式、作用力方式、磁极布置形式等方面对磁悬浮轴承进行了比较与分析,给出了基于等效磁路法的磁悬浮轴承悬浮力数学模型建立方法和步骤,为该类轴承磁路结构设计和建立数学模型提供了参考。     

基于多类别满意优化控制的磁悬浮球系统

在磁悬浮球控制系统中,针对现有在不同信号输入情况下控制参数优化满意度量化程度低,以及控制系统性能评价指标缺乏针对性的问题,提出多类别满意优化控制算法。即采用基于遗传算法的PID控制器,得到全局中的最满意解,然后选择Kp、Ki、Kd为系统的待优化变量,分别在阶跃、正弦、方波、锯齿以及随机信号的输入下,通过预设的性能评价指标和满意度函数进行分类评价,最终得出满意的优化结果。仿真与实验结果表明,通过多类别满意优化控制算法,不同类别的输入信号都可以在全局中获得控制参数Kp、Ki、Kd的最满意解,最终实现稳定悬浮及动态跟踪的同时给出系统性能评价的量化指标。     

数控机床用磁悬浮系统非线性时变滑模变结构控制

为实现数控机床横梁磁悬浮系统悬浮气隙的精确控制,采用了非线性时变滑模变结构控制策略。首先,通过设计一种带有指数项的滑模面,使系统在任意初始状态下的状态变量都直接处于系统的滑模面上,实现对参数摄动和外部干扰的全局鲁棒性;然后,在此基础上设计了一种时变滑模控制器,并通过李亚普诺夫定理证明了该控制律的稳定性。仿真实验结果表明,非线性时变滑模变结构控制方法在保证系统全局稳定的前提下提高了滑模面的收敛速度,有效地削弱了抖振。     

永磁磁浮技术在叶轮式人工心脏的应用

将永磁力跟非磁力相结合实现永磁磁浮 ,研制出永磁磁浮叶轮血泵的样机。当电机转速逐渐增加到4 0 0 0r/min以上时 ,转子在液动力的作用下从接触点与定子相脱离 ,实现完全悬浮。压力和流量之间的关系曲线显示血泵的内部没有机械摩擦和湍流。与采用机械轴承的血泵相比 ,采用永磁磁浮技术的血泵不仅效率高 ,寿命长 ,而且不会产生溶血和血栓。     

管道攀爬机器人非接触变磁隙式永磁吸附机构的设计与吸附性能优化

设计了一种能自适应吸附不同直径管道的非接触变磁隙式攀爬机器人。采用矢量磁位法和有限元法建立了吸附机构的磁场分布模型和磁吸附力模型。基于空间力系统的平衡方程建立了机器人的力学模型,得出爬壁机器人需要的最小磁吸附力。基于磁场和磁吸附力的理论模型与Maxwell仿真,通过离散组合法得到了最优磁铁宽度和磁吸附力。通过不同磁场和磁吸附力的对比计算,在最优磁铁宽度为80 mm时,得出近似圆弧机构单位体积的磁吸附力为0.0078 N/mm3,大于矩形磁铁单位体积的磁吸附力0.0047 N/mm3,它产生的磁吸附力满足单个机构所需的最小磁吸附力2100 N的负载要求。最后,通过实验获得了磁吸附机构的磁吸附力特性,证明了磁吸附机构优化设计的可行性。