可控磁悬浮技术在机械产品中的应用

磁悬浮技术将电力电子技术、自动控制技术、传感器技术、检测技术、微机等高新技术有机地结合在一起,成为典型的机电一体化技术。在表现形式上是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来,以满足生产工艺和科学技术向高速、精密化方向发展的需要,并提高振动控制水平。磁悬浮技术分为被动和可控两种,可控磁悬浮技术,实现稳定悬浮的电磁力是动态的,近年来,该技术由宇航、军事等领域的应用,开始向一般工业应用方面发展。     

抗磁悬浮静电电机悬浮与驱动特性研究

微型电机随着特征尺度的降低,其表面效应凸显,摩擦问题急剧突出。抗磁悬浮技术具有无摩擦、被动自稳定、尺度效应下浮重比显著提升等特点,是解决微型电机机械摩擦问题的一种有效途径。提出了一种基于抗磁悬浮静电驱动的微型电机方案,研制了转子直径为10 mm的定子下置式微型抗磁悬浮静电电机;基于永磁体电流等效模型,推导了抗磁悬浮静电电机磁通密度表达形式,建立了抗磁悬浮力的数学模型,获得了悬浮力与悬浮高度的关系并进行了实验验证;基于电容静电能原理,建立了抗磁悬浮静电电机的驱动力矩数学模型,获得了静电驱动力与定子输入电压、悬浮高度的关系并进行了实验验证;开展了旋转实验研究,分析了输入电压、环境湿度对转速的影响规律,获得了抗磁悬浮静电电机的驱动特性。本研究将会为高性能微型抗磁悬浮静电电机的研究提供支撑。     

永磁悬浮技术的实现机理与发展现状

永磁悬浮技术利用磁体与磁体或铁磁体之间力的作用实现无接触支撑,具有无摩擦、低能耗等显著特点。随着稀土永磁材料的发展,具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积的永磁体大幅提高了系统的承载性能,国内外学者相继开展了永磁悬浮技术的研究工作。我国的稀土储量居世界首位,发展永磁悬浮技术具有天然优势和重要意义。首先,明晰了永磁悬浮技术的机理和特点;其次,系统性回顾了永磁被动悬浮和永磁主动悬浮技术的发展历史,并重点阐述了气隙调节式、磁阻调制式、磁源调整式三种永磁主动悬浮系统的磁路结构、悬浮特性及研究现状;再次,分析了磁路设计与优化、磁力精确建模、系统性能与控制方法等技术难点,并提出相应的解决策略;最后,展望了永磁悬浮技术在重力补偿器、轻载微型轴承、低频隔振等领域的未来应用前景及发展趋势。     

微型抗磁悬浮振动能量采集器结构研究与分析

针对微机电系统供电问题,提出一种新型的抗磁悬浮振动能量采集器结构。该结构消除了传统机械悬浮的能量损失,利用提升永磁体与悬浮永磁体之间的磁吸力抵消悬浮永磁体的重力,两个热解石墨薄板与悬浮永磁体之间的抗磁力作为回复力使悬浮永磁体回到平衡位置。通过有限元软件MAXWELL仿真计算,悬浮永磁体的最大活动范围1.3mm;同时,分析了在悬浮永磁体悬浮的范围内磁力的增量与抗磁力增量大小对比,得出了抗磁能量采集器的运动特性和稳定工作的范围为0.7mm。     

微型振动能量采集器的抗磁悬浮结构分析

抗磁悬浮结构是微型振动能量采集器的核心结构,其由提升永磁体、悬浮永磁体以及上、下热解石墨板组成。该能量采集器主要通过悬浮永磁体的运动使感应线圈中的磁通量改变,从而将振动能转化为电能。为了研究悬浮永磁体对外界激励的响应情况,利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysic ~(TM)4.4计算出悬浮永磁体在不同空间位置时所受的磁力与抗磁力,通过Matlab拟合工具箱得到磁力与抗磁力关于距离的非线性方程,结合磁力与抗磁力方程建立悬浮永磁体对外界激励响应的SIMULINK仿真模型,进而得到悬浮永磁体在外界激励下的运动规律,确定了悬浮永磁体的共振频率,同时对抗磁悬浮结构的倾斜状态进行了分析,得到了抗磁悬浮结构正常工作时所允许的最大倾斜角度。     

磁悬浮与光电反馈式静电悬浮

对磁悬浮技术作简要综述,着重介绍超导磁悬浮技术的基本原理及发展现状。提出一种新的悬浮技术——静电悬浮技术,讨论静电悬浮的原理及其光电反馈控制系统,展望静电悬浮技术的应用前景。     

基于FPGA的磁悬浮微驱动器控制系统研究

针对磁悬浮微驱动器的实时精确控制问题,对新型绕组式磁悬浮微驱动器的结构与工作原理进行了研究,对磁悬浮微驱动器中的磁场分布进行了理论分析,提出了一种基于FPGA的磁悬浮微驱动器悬浮系统的运动模型以及PID控制系统,并通过Matlab仿真实验验证了该数学模型。完成了系统的硬件控制电路及相应的软件设计,搭建了基于FPGA的磁悬浮微驱动器悬浮控制实验系统。该系统可利用位置环对磁悬浮微驱动器进行PID控制,并在上位机Delphi界面中显示悬浮状态,通过对所设计的PID控制器的控制精度、大范围精确控制性能、动态性能和跟踪性能进行了实验验证。实验结果表明,该系统响应速度快、可靠性高,可实现2 mm范围的精度为1μm的控制。     

磁悬浮转子微陀螺的设计技术

磁悬浮转子微陀螺利用电磁涡流实现微转子的悬浮支撑和高速旋转,是一种精度可达惯性级的新颖MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺.讨论和研究了这种新颖微陀螺的悬浮支撑、高速转动、位置检测及加矩稳定的原理,并给出了相应的微转子、定子悬浮线圈、旋转线圈、稳定线圈、传感电极的设计原则和方法.设计了一个转子直径2 200μm、厚度25 μm,定子线圈线宽10μm、厚度5μm,悬浮励磁频率10 MHz、旋转励磁频率2 MHz的微陀螺,解决了三维非硅准LiGA技术加工微陀螺中的引线、绝缘、摩擦柱成型问题,并进行了相关的陀螺悬浮旋转试验,该陀螺在空气环境下能够以1000 r/min旋转,悬浮高度200μm,说明这种陀螺的原理和设计方法是可行的.     

磁悬浮轴承数字集成控制器的研究

研制了以数字信号处理器（TMS320F28335 DSP）为核心的磁悬浮轴承数字集成控制器,取代了一般的位置控制器和部分功率放大器环节,编制了相应的控制算法,采用试验方法研究了该数字集成控制器的静态和动态性能。将该数字集成控制器应用于五自由度磁悬浮轴承柔性转子系统,实现了转子的静态稳定悬浮和高速旋转。研究结果表明,采用数字集成化的设计方法,能够优化磁悬浮轴承的电控系统,且具有成本低、程序的可移植性强、可靠性高、体积小等优点。     

磁悬浮轴承研究综述

旋转机械正在朝高转速、高精度和高柔性等多方向发展,这在很大程度上得益于轴承技术的不断改进。磁悬浮轴承由于具有转速高、无磨损、无需润滑、可靠性好和动态特性可调等突出优点,近20年来已在许多工业部门得到广泛应用。针对该领域近年来的研究成果及发展动向进行了全面的综述。     

永磁悬浮系统的参数设计

由于永磁悬浮无需外部能量输入,目前受到许多学者的关注。要实现永磁稳定悬浮可以通过对永磁体的位置进行主动控制,这其中就包含一类包含振动器的控制方式。通过对系统建模发现这类系统是典型的Mathieu方程。由于方程的稳定性受参数值决定,因此本文在建立力和刚度表达式基础上,分析了尺寸参数对力和刚度特性的影响,对磁体尺寸参数进行了合理设计;并利用仿真研究,对振动器的振幅和频率值进行了选择。     

加工中心龙门磁悬浮高度的滑模控制

针对龙门加工中心中的移动横梁,提出了采用磁悬浮技术,实现无摩擦驱动的新型控制方案。根据所建立的横梁磁悬浮系统的数学模型,应用基于微分几何的反馈线性化方法将非线性的电磁悬浮系统转化为线性系统,然后利用积分滑模控制器来对整个系统进行鲁棒控制。仿真研究结果表明,与传统控制方法相比,系统具有很强的抗扰性和较高的刚度,横梁能够实现无摩擦稳定悬浮。     

磁悬浮轴承数字功率放大器

研制基于数字信号处理器(Digital signal processor,DSP)和现场可编程逻辑阵列(Filed programmable gate array,FPGA)的三电平脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)型磁悬浮轴承数字功率放大器.用DSP芯片取代模拟电路进行比例积分(Proportion-integration,PI)调节、三角载波产生以及负载线圈驱动信号PWM波的产生,通过DSP内部程序实现PWM占空比在线调节,实时控制磁悬浮轴承负载线圈中的电流大小,从而控制转子稳定悬浮在平衡位置,并给出采用FPGA对驱动信号PWM波进行移相180°的方法,实现三电平的数字功率放大器.将此数字功率放大器应用于5自由度磁悬浮轴承试验台,实现了转子的静态稳定悬浮,静态悬浮时转子振动的峰峰值小于5 μm.采用数字化的设计方法,能够优化磁悬浮轴承功率放大器的性能,且具有体积小、程序可移植性强、可靠性高等优点.     

主动磁悬浮轴承在压缩机及鼓风机应用的技术进展

主动磁悬浮轴承是一种新型的高性能机电一体化产品,具有无机械磨损、噪声低、无需密封和润滑、寿命长和控制灵活等独特优势,在压缩机和风机领域得到成功应用。本文首先介绍了国内外磁悬浮轴承的发展状况,之后,总结了磁悬浮轴承在集成式压缩机领域和鼓风机领域的应用情况。探讨了近十年国内外对于磁悬浮轴承技术的研究进展和其中包括的研究热点问题。最后,展望了磁悬浮轴承未来的应用前景。     

三支承磁悬浮轴承的不对中特性

应用多个磁悬浮轴承支承的转子系统,由于机械加工以及安装等方面的误差会导致各个磁悬浮轴承之间有一定的不对中量。提出了将转子偏离磁轴承中心悬浮,以减小各个支承悬浮位置的不对中量;结合单自由度磁轴承控制原理,分析了转子悬浮位置偏离中心对磁轴承悬浮性能的影响;从理论和试验两个方面对比研究了3个不对中磁悬浮轴承支承的转子悬浮在磁轴承中心和偏离中心后磁轴承的控制电流和抗扰动性能。研究结果表明一定程度的偏离磁轴承中心悬浮能够提高磁悬浮轴承系统的稳定性。     

用于转子振动主动控制的数字式磁悬浮控制器的研究

交叉刚度是引起轴承－转子系统不稳定的主要因素之一［２］。以系统增稳为目的，本文提出了一种利用闭环磁悬浮振动控制器对转子施加主动交叉刚度力以削弱原系统交叉刚度，促使系统稳定的方法。笔者以ＩＮＴＥＬ８０９８十六位单片机为核心构成磁悬浮数字控制系统，软件设计以数字系统模拟化设计技术为前提，采用稳定性较好的双线性变换法实现复频域传递函数到离散域传递函数的转换。实验研究表明，该磁悬浮系统以非线性ＰＩＤ控制规律作为控制算法实现的磁悬浮轴承可使转子单端悬浮并具有较为良好的动态特性。     

磁力技术应用与展望

随着现代科技的发展，磁力技术在众多工业领域得到广泛的应用。从磁力技术应用较为成熟的机械工业领域着手，详细论述磁力悬浮列车和磁力轴承系统等磁力悬浮技术与现代控制方法在工业中的应用，并介绍磁力研磨、磁力传动及磁力减振等技术的原理、特点与应用。     

振动能量收集技术的研究现状与展望

气候变暖、海平面上升、冰川消融等自然环境变化对人类社会的发展构成巨大挑战,迫使人们加速绿色能源技术的开发。微纳米技术、机械与材料工程的迅速发展使得振动能量的收集与应用成为可能,其主要部分为通过电磁转换、静电转换、压电转换、磁致伸缩转换、磁电转换、摩擦纳米发电以及它们的复合形式将振动能量转化为电能。其中摩擦纳米发电是最新的研究热点之一。本文回顾了振动能量收集技术原理、材料、结构等方面的研究现状,重点综述了国内外学者的主要研究成果,详细阐述了多种收集方式的原理、特点和电学输出性能,总结了目前该技术存在的关乎耦合性能、频带、收集效率、集成性和寿命等有待进一步解决的关键问题,并由此展望振动能量收集技术的研究发展趋势,希望为集能设计研究领域的工作者提供有价值的参考。     

微型抗磁悬浮振动能量采集器结构分析与实验

研究了一种基于抗磁悬浮原理的微型振动能量采集器,自上而下主要由提升永磁体、上热解石墨板、悬浮永磁体和下热解石墨板组成,在上、下热解石墨板上电镀有铜线圈,利用电磁感应原理将悬浮永磁体的振动能量转化为电能。通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics TM对能量采集器整体结构尺寸进行仿真计算,并与实验结果进行对比,得到最大仿真误差为8.2%,可以作为能量采集器结构设计的依据,根据悬浮永磁体周围磁场分布情况,得到了铜线圈的最佳布置方案。通过对能量采集器的振动模型进行分析,得到能量采集器输出的峰值电压为22.5mV,为能量采集器的进一步应用打下坚实基础。     

差动变压器式位移传感器及其在磁悬浮轴承中的应用

针对差动变压器式位移传感器的性能及其在磁悬浮轴承中的应用,理论分析传感器与磁悬浮轴承转子之间加入不同隔层时对传感器输出的影响;对传感器进行静态和动态标定,并将其应用于2自由度和5自由度磁悬浮轴承试验台进行静态和动态悬浮。研究结果表明：该传感器测试范围在–0.5～＋0.5 mm时,线性度可达±1.38%,灵敏度为20.18 mV/μm,截止频率在800 Hz左右;理论分析加入非导磁隔层不影响传感器性能,但实际中涡流、漏磁等多方面原因将影响传感器的静动态性能;在2自由度试验台上实现磁悬浮转子2自由度的静态悬浮,不加入隔层时转子的静态位移振动峰峰值小于5 μm,加入隔层时转子的静态位移振动峰峰值小于10 μm;在5自由度试验台上实现了磁悬浮转子的高速旋转,转速为30 kr/min,不加隔层时转子两端的径向振动峰峰值为25 μm,加入隔层时转子两端的径向振动峰峰值为25 μm,但波形没有不加隔层时规则。研究结果为差动变压器式位移传感器的设计,并将其应用于磁悬浮轴承系统中提供一定的理论和试验基础。