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。     

抗磁悬浮研究综述

抗磁悬浮技术利用物质的抗磁特性,无需外界能量输入即可实现常温被动静态稳定悬浮,获得众多学者的关注。尤其是近30年来,随着微细制造与强磁场技术的发展,抗磁悬浮相关研究持续增加。目前,国外众多研究机构基于抗磁悬浮原理已经开展了较为丰富的相关研究工作,但国内在该领域的研究成果相对较少,研究内容较为单一。针对国内该领域这一研究现状,从抗磁悬浮机理、抗磁悬浮特点及抗磁悬浮相关应用研究成果进行全面的综述。提出抗磁悬浮不仅具备无磨损、无需润滑、低能耗等优点外,还具有常温被动静态稳定悬浮、微纳米尺度应用、低刚度等特点;指出该技术在微纳旋转机械、振动能量捕获、高灵敏度传感器、生物细胞/微粒子操纵等领域具有非常广阔的应用前景。为国内学者开展相关抗磁悬浮研究提供了综述资料。     

冲击激励下磁悬浮转子系统的响应特性分析

由于基础承受垂向冲击时,磁悬浮转子系统的转子与定子极易碰撞,重点研究垂向冲击激励下磁悬浮转子系统的响应特性。通过龙格库塔法,计算磁悬浮转子系统的冲击响应,并分析冲击激励和不平衡力波动对响应特性的影响。结果表明,冲击脉宽和转速对响应幅值增大的速度有显著影响。     

磁悬浮流体机械喘振控制研究

针对磁悬浮流体机械喘振问题,依据流体机械系统喘振状态时质量流量和压升的波动,采用基于质量流量的喘振控制策略。具体来说,利用喘振控制器求出叶轮轴向调节间隙值,并作为悬浮位置参考信号输入至轴向磁悬浮轴承闭环控制系统中,从而在轴向磁悬浮轴承系统作动下改变磁悬浮流体机械转子轴向位置,即改变叶轮叶尖间隙,以实现喘振的主动控制。仿真结果表明,当施加喘振控制时,可以扩展流体机械的稳定运行范围,由未控制下的15.5%节流阀开度扩展至喘振控制下的14%。通过模拟激振的方式辨识了喘振频率,并研究了PID控制器中控制参数对喘振控制性能的影响规律。     

基于μ分析的鲁棒控制器在磁悬浮轴承中的应用

针对磁悬浮轴承电磁力线性化和位移传感器温漂现象等不确定性,建立了考虑参数不确定性的磁悬浮轴承-转子系统的摄动模型,基于该模型设计了一种基于结构奇异值μ分析的鲁棒控制器并进行仿真分析,结果表明控制器降阶前后转子能稳定悬浮在平衡位置,且对正弦干扰有一定抑制作用。在转子试验台上进行了悬浮和激振试验,结果表明：与传统PID控制方法相比,μ综合控制下转子起浮调节时间缩短了95%,稳定时抵抗内部激振扰动的能力均有较大改善,且在0.5 mm, 40 Hz和0.5 mm, 60 Hz正弦干扰下,μ综合控制下转子位移幅值分别降低了36.4%和40%,说明考虑模型参数不确定性情况下设计的μ综合控制器使系统具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。     

磁悬浮轴承转子热弯曲振动特性研究

为了研究磁悬浮轴承-转子系统中由于轴颈铁损集中而出现的热弯曲振动现象,根据磁悬浮轴承的工作原理,总结出热弯曲振动的变化规律,并利用Bertotti铁损分离模型得到转子轴颈处的铁损耗,以铁损耗作为热源,结合磁悬浮轴承的支承特性,建立转子热-结构耦合振动方程,求解得到热弯曲振动响应.同时,为了研究转子工作时热弯曲振动的变化...     

磁悬浮轴承转子热弯曲振动影响因素分析

为了研究磁悬浮轴承转子系统中热弯曲振动的影响因素,根据磁悬浮轴承转子热弯曲振动机理,提出了一种迭代计算方法,不断更新计算条件,反复迭代计算,直到振动收敛或发散,由此得到转子工作时电控参数和转子结构参数对热弯曲振动的影响。计算结果表明：电控参数中,改变偏置电流和积分系数对热弯曲振动无明显影响,而提高比例系数和微分系数会使热弯曲振动的影响增大;转子结构参数中,增大非悬臂侧轴段长度和悬臂侧轴段长度会降低热弯曲振动的影响,而增大悬臂长度和外挂圆盘半径会轻微增大热弯曲振动的影响。由此可知,电控系统和转子自身的幅频特性决定热弯曲的影响程度,二者的相频特性决定热弯曲振动的变化趋势。     

基于流固耦合的磁悬浮透平膨胀发电机冷却与温升特性仿真研究

与常规电机使用风冷或水冷不同,有机朗肯循环磁悬浮透平膨胀发电机可采用有机工质直接进行冷却。有机工质冷媒和散热结构对发电机温升特性影响的研究是十分必要的。以一台磁悬浮透平膨胀发电机为例,从雷诺数、散热系数等方面比较有机工质R245fa、空气和纯水三种冷却媒介散热性能的差异。建立先考虑机壳-定子-绕组的热仿真模型,分析不同散热结构下发电机的温升以选取最佳散热方式。再基于流固耦合建立磁悬浮透平膨胀发电机的有限元模型,进行冷媒及电机散热结构的优化设计分析。     

基于LC并联谐振的轴向自感式位移传感器设计

为了满足磁悬浮轴承面向更高精度的发展需求,提出基于LC并联谐振的轴向自感式位移传感器.通过增大谐振回路的等效电感变化率,提高传感器的灵敏度.分析传感器的工作原理.通过有限元仿真,研究传感器设计参数与灵敏度之间的关系.设计传感器的测量电路,结合有限元仿真和数值仿真,分析LC并联谐振对传感器灵敏度的影响.搭建实验台,对传感器的静态性能进行测试.结果表明,相对于传统的位移传感器,提出的传感器具有更高的灵敏度与更低的线性度.     

时滞磁悬浮转子系统的动力学特性研究

磁悬浮轴承作为典型的机电一体化产品不可避免地存在一定的时滞,这对系统的稳定性和动态性能有很大影响,导致系统表现出复杂的动力学特性,甚至会出现失稳,因此有必要研究时滞影响下磁悬浮转子系统的动力学特性。建立四自由度磁悬浮转子系统的时滞动力学模型,基于MATLAB进行了数值仿真和相应的试验研究。通过Poincare映射、时域分析等方式分析时滞对转子系统的影响及其所表现出的非线性运动行为。研究结果表明：时滞量的增加将会导致转子位移信号的振幅增大,表现形式趋于复杂,诱发转子系统发生混沌运动,并使转子系统在混沌运动中走向失稳。