基于霍尔元件的磁悬浮心脏泵转子径向位移检测

为实现人工心脏泵磁悬浮轴承转子位移的精确检测,利用ANSOFT/Maxwell 2D有限元软件,仿真了径向永磁轴承内永磁环位移变化对其空间外某点处磁感应强度的影响特性,得出二者间的数学关系;提出了一种基于霍尔传感器的磁悬浮轴承转子径向2自由度位移检测的方案,通过解耦处理得到径向2自由度位移量求解公式;通过有限元仿真软件验证了该径向位移检测方法的正确性。研究表明:基于霍尔传感器的位移检测方法操作简单,且能准确的检测到径向2自由度位移量。     

一种磁悬浮离心式心脏泵刚度与阻尼特性分析

针对一种磁悬浮离心式心脏泵系统的动态特性,需要分析其刚度与阻尼。为此,分析了径向永磁轴承和开关磁阻电机的径向力学特性,得到磁悬浮转子径向运动方程和控制系统框图; 并结合PD控制器,推导出系统径向刚度与阻尼数学表达式,最后通过实例仿真,得到径向刚度与阻尼特性曲线。研究表明,比例和滤波环节对系统动刚度、阻尼比和固有频率均有显著影响,且在低频段,微分系数与阻尼比近似成正比关系。上述研究为磁悬浮离心式心脏泵控制系统的设计和磁悬浮转子径向位移控制提供理论指导。     

开关磁阻电机一体化飞轮储能支撑系统的分析

拟定一种新型的飞轮储能系统方案,即电机采用开关磁阻电机,并将电机转子与飞轮电池转子一体化。针对支撑系统内部磁场分布情况及受力情况的问题,分别对轴向和径向电磁轴承转子产生的初始、中间和极限三种位置及内部磁场分布进行仿真分析。结果表明:径向和轴向电磁轴承内部磁场分布都符合使用要求,可以作为一体化结构中的磁悬浮支撑系统,并得到了它们稳定运转与产生偏移时的受力情况。     

同极永磁偏置径向磁悬浮轴承特性分析北大核心

将同极永磁偏置径向磁悬浮轴承应用于轴流式磁悬浮血泵支承系统,利用永磁偏置降低功耗,同极性结构减少转子磁滞损耗引起的发热,以降低轴流式磁悬浮血泵支承系统的体积和功耗,使其便于植入体内。利用等效磁路法建立了轴承承载模型,采用有限元法获得轴承的气隙磁场分布、耦合特性,最后搭建试验平台,进行了试验验证。结果表明,仿真得到的电流刚度、位移刚度和气隙磁场分布与试验测量结果趋势相同,大小误差均在10%以内。     

同极永磁偏置径向磁悬浮轴承特性分析

将同极永磁偏置径向磁悬浮轴承应用于轴流式磁悬浮血泵支承系统,利用永磁偏置降低功耗,同极性结构减少转子磁滞损耗引起的发热,以降低轴流式磁悬浮血泵支承系统的体积和功耗,使其便于植入体内。利用等效磁路法建立了轴承承载模型,采用有限元法获得轴承的气隙磁场分布、耦合特性,最后搭建试验平台,进行了试验验证。结果表明,仿真得到的电流刚度、位移刚度和气隙磁场分布与试验测量结果趋势相同,大小误差均在10%以内。     

磁悬浮轴承横向磁通传感器设计与分析

横向磁通传感器因结构紧凑和高检测精度在磁悬浮轴承系统中具有广阔的应用前景。 随磁悬浮轴承技术的发展,对横 向磁通传感器的检测性能提出了更高要求。 为进一步提升横向磁通传感器的性能,满足磁悬浮转子高精度位移监测需求,本文 针对灵敏度指标对传感器进行设计与分析。 通过建立传感器的数学模型和电磁场有限元分析,研究了激励频率和线圈参数之 间的关系。 对传感器线圈匝数与灵敏度的相关性进行了数值研究,从检测转子的角度分析了趋肤效应对传感器灵敏度的影响。 设计了传感器信号处理电路实现由位移信号到电压信号的转换,并搭建实验平台对传感器的输出特性进行测量。 实验结果表 明,当灵敏度为 20 mV/ μm、检测范围为±500 μm 时,传感器的线性度为 0. 69% ,且具有良好的动态特性,适用于磁悬浮轴承系 统的转子高精度径向位置检测。     

磁悬浮球形磁阻电动机转子位姿描述与检测研究

转子位姿检测是磁悬浮球形磁阻电动机运行的重要环节,它包括了转子的位置检测和姿态检测.在球形磁阻电动机上建立三维坐标系,推导出转子姿态的描述方法.提出基于径向位移传感器和角位移传感器计算转子姿态的方法,该方法通过球面的几何关系,由传感器检测出的数据计算出球体的姿态矩阵,通过坐标系的旋转与位置变换算出球体上任意-点的位置坐...     

陀螺效应使永磁悬浮心脏泵稳定平衡

为使人工心脏泵可以永久使用，作者研制出一种仅采用永磁轴承实现磁悬浮的离心泵。其保留了电磁悬浮泵的优点，又避免其不足之处。然而，传统理论认为永磁悬浮是不可能稳定平衡的。作者利用陀螺效应解决了此问题。径向驱动的离心泵包括一个转子和一个定子。转子由驱动磁钢和叶轮组成；定子由电机线圈和泵壳构成。两个永磁轴承抵消电机线圈铁心与转子驱动磁钢之间的吸引力。 生理盐水试验表明，当血泵转速超过3250转／分、流量大于1升／分时，转子可以在定子中悬浮起来。高转速是达到陀螺效应的条件，大流量是良好水动力性能的前提。     

无轴承开关磁阻电机滑模观测器间接位置检测研究

针对无轴承开关磁阻电机中引用位置传感器所带来的结构复杂、成本高等问题,以12/8极三相双绕组电机为例,采用一种基于滑模观测器的无轴承开关磁阻电机间接位置检测的控制策略.该控制策略以转子位置和转速作为状态变量,以实测主绕组电流和悬浮绕组电流与估算电流的偏差作为滑模面,构建滑模观测器进行转子位置辨识和转速估计.在Matlab/Simulink中搭建无轴承开关磁阻电机的滑模观测器模型并进行仿真分析.仿真表明:所采用的间接位置检测方法可有效估算出电机的转速及转子位置,并具有较好的跟随性及鲁棒性.     

体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵原理及关键技术研究

在中国国家自然科学基金资助项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵的研究》,河北省回国留学人员择优资助经费项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋轴流血泵研究》,以及流体传动及控制国家重点实验室(浙江大学)开放基金资助项目《磁悬浮外磁场驱动轴流血泵的研究》的共同资助下,开展体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵(TMSCSI-BP-DOD)工作原理及关键技术研究,制造出物理原型样机,对研究取得的成果进行学术总结报告.为减少和消除血泵流道结构不合理引发的溶血和血栓问题,以减小血液流动剪切速度为目标,基于“静止进口导叶导轮+锥形螺旋叶轮转子+静止出口导叶导轮”的结构,提出一种体外驱动、在轴向和径向完全实现磁悬浮的新式血泵——TMSCSI-BP-DOD,建立起锥形螺旋叶轮转子及其流道内的血液学和流体动力学模型,模拟分析血液流场和流动规律.运用计算流体动力学(CFD)方法考察一定转动速度下,锥形螺旋叶轮转子叶片数、叶片螺距、转子锥度、进出口导轮叶片形状和导轮叶片数等参量对血泵流场、输出流量和压力的影响规律,模拟血泵结构参数变化对血泵性能的影响.通过仿真计算得到21条研究推论,归纳出5条研究结论.提出了TMSCSI-BP-DOD转子、叶片、导轮设计应遵循的7条设计准则:血泵进口端壳体和出口端壳体内表面应该设计成流线形状;进出口导轮应该设计成锥弧形曲面,并能与血泵进口端壳体和出口端壳体内表面相匹配;转子应该设计成锥形,转子锥度应该选取为9.46°;与转子对应的血泵壳体部分内表面应该设计成锥形,并与转子的锥度相同;锥形转子上的叶片应为螺旋状,且选取螺旋头数为3,即螺旋叶片数为3;锥形转子上螺旋叶片的螺距应该选取为35 mm;进出口导轮上的导叶片形状应设计成圆弧状,进出口导轮上的叶片数分别为8.为了解决血泵机械轴承在运转过程中由于磨损而引发血泵的失效,以及轴承摩擦热对血液可能产生的破坏作用,提出采用磁悬浮轴承(MSB)替代机械轴承的锥形螺旋叶轮血泵转子(RCSIP)径向和轴向混合被动式磁悬浮结构,构成了血泵锥形螺旋转子的轴向和径向磁悬浮轴承;建立了径向永磁轴承内磁环径向有偏移、轴向有偏移情况下轴向悬浮力、径向悬浮力的数学模型;建立了轴向永磁轴承动环轴向有偏移情况下轴向悬浮力的数学模型.采用ANSYS/Emag中的电磁场模块,仿真分析了不同气隙及径向偏移量下永磁轴承的磁力线分布,内磁环所受径向悬浮力与径向偏移量之间的关系,不同轴向偏移量时径向永磁轴承磁感应强度矢量分布,径向永磁轴承轴向悬浮力与轴向偏移量之间的关系.通过上述数值计算分析数据,得到了14条研究推论,归纳出10条研究结论.根据上述推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD轴向和径向永磁轴承设计所应遵循的5条设计准则:径向永磁轴承应该由轴向充磁的两个磁环组成;为保证产生足够的径向悬浮力,径向气隙g0应取值0.2 mm;轴向永磁轴承应该由轴向充磁的两个永磁环组成;为保证产生足够的轴向悬浮力,轴向间隙应控制在0.2 mm附近;为保证对血泵转子磁悬浮的稳定性,轴向和径向永磁轴承应该成对出现.针对血泵动力导线与控制导线穿越皮肤引起人体感染等问题,构思出体外磁场驱动方案——血泵转子驱动永磁铁采用高磁性永磁体NdFeB制成,运用永磁电机驱动原理,对线圈组加载交变电流来产生旋转磁场,对永磁转子产生旋转力矩,从而驱动转子持续转动.提出呈120°均匀周向排列的三线圈驱动系统和呈60°均匀周向排列的六线圈驱动系统等两种设计方案.针对旋转磁场的构建,以三线圈驱动方案和六线圈驱动方案为研究对象,应用ANSYS/Emag的电磁场模块通过剩磁、内禀矫顽力、转子内径、转子外径、转子与线圈中心距等参量仿真模拟了加载电流与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,以及线圈与永磁转子之间的距离与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,得到了14条研究推论,归纳出5条研究结论.根据上述研究推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD血泵转子外磁场驱动设计所应遵循的3条设计准则:转子上必须有4个径向充磁的永磁磁条;驱动线圈取为6个,且沿转子周向均匀布置;驱动线圈与转子之间的中心距应控制在40～60 mm之间,以保证永磁转子上产生足够的驱动力矩.为验证六线圈驱动方案正确性,分析驱动距离、驱动电流对永磁转子转速的影响规律,构建起TMSCSI-BP-DOD转子外磁场驱动实验装置,通过改变线圈组与转子中心距离,获得其在定值输入电流下永磁转子所能达到的最高转速与距离关系曲线;保持线圈绕组与永磁转子中心距一定,获得测量输入驱动线圈电流变化的情况下永磁转子最大转速与驱动电流的关系曲线.据此得到了2个推论,实现了距转子40～60 mm范围内无机械连接磁场驱动.为了验证所构思的新型血泵工作结构的可实现性,制造出TMSCSI-BP-DOD物理原型样机.以锥形螺旋转子、导轮及外壳等3个关键零件为对象,规划了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机零件的制造过程和制造工艺,编制数控加工程序,建立了血泵总装配流程图和装配步骤,得到了血泵物理原型样机的总装配图.通过机械制造,得到了锥形螺旋转子、导轮及外壳等实际加工体,通过测量,得到实际加工公差,证明上述3个关键零件的加工步骤、加工工艺流程正确.搭建了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机实验测试系统,测试了血泵扬程与转速、流量之间的关系,血泵转速与控制器电流、电压和输出功率之间的关系,血泵扬程与功率和效率之间的关系,得到了5条研究推论,证明TMSCSI-BP-DOD的工作原理是正确的,其最高驱动转速可达5 750 r/min,对应的流量达2 L/min,压力达18.49 kPa,输出流量和压力可以满足人体辅助血液循环的要求,但尚不能满足完全代替人体心脏的要求.     

磁悬浮转子系统耦合特性测试方法及测试台的设计

磁悬浮转子系统中，根据磁力轴承工作原理，径向磁力轴承内存在力耦合、磁耦合；径向磁力轴承之间存在力耦合、力矩耦合。这些耦合现象对磁悬浮转子系统的结构设计、系统建模和控制系统的设计都有影响。在对磁悬浮转子系统耦合特性研究的基础上，提出了磁悬浮转子系统耦合特性测试的实验方法。并且提出了相应测试实验台的设计方案。     

基于高频脉冲法的SRM无位置传感器控制研究

针对传统开关磁阻电机(SRM)转子位置检测需要外接器件,增加了系统硬件成本和复杂性,降低了系统的可靠性等问题,对基于高频脉冲注入法无位置传感器控制方法进行了研究,根据脉冲注入相的不同,提出了两种基于电感分区法的非导通相注入高频脉冲估计转子位置的方法,总结了两种检测方法优缺点并结合运用;以12/8极4 KW三相开关磁阻电机为实验对象搭建了基于stm32的驱动控制系统,对高频注入法的转子位置估计的准确性进行了测试,并研究了分别使用两种检测方法时电机的运行状况。研究结果表明,应用该无位置传感器控制策略的开关磁阻电机控制系统能够实现对转子位置的准确估计,两种检测方法的结合可以实现SRM的无反转启动,并使启动后的电机运转稳定、可靠。     

基于SMO的开关磁阻电机无位置传感器控制仿真研究

针对开关磁阻电机中位置传感器的引入用所带来的结构复杂程度以及系统的成本的提高、电机可靠性以及坚固性降低等问题,提出了一种新的基于滑模观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法:采用五点法磁链模型,结合滑模观测器实现了转子位置无位置传感器控制。该方法以转速以及电机转子位置作为状态变量,以实际磁链以及估算磁链的偏差作为滑模面,构建出了滑模观测器,对转子位置进行了间接检测。然后利用Matlab仿真软件搭建出了12/8极开关磁阻电机的仿真模型,并在Simulink环境下对开关磁阻电机进行了仿真研究。研究结果表明,所给出的无位置传感器控制方法可以有效地估算出电机的转速以及转子的位置,测量得到的转子位置误差小,具有较好的鲁棒性以及抗干扰能力,动态性能较好。     

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。     

永磁型电主轴多频率振动的主动控制

为了有效抑制由砂轮质量不平衡及外部干扰引起的永磁型电主轴转子系统砂轮端的多频率成分振动,在无轴承永磁电机径向磁悬浮力产生原理的基础上,提出了一种基于最小方差快捷分块(FBLMS)的自适应滤波的永磁型双绕组电主轴柔性转子系统砂轮端多频率成分振动的主动控制方案。首先研究了双绕组永磁型电主轴结构及工作原理和径向控制力的模型,借助有限元法建立了永磁型电主轴柔性转子系统的动力学模型,分析了控制电流的不同成分对永磁体涡流损耗及电机定子铁损的影响,设计了永磁型电主轴柔性转子系统砂轮端多频率成分振动的主动控制系统,结果表明,提出的永磁型电主轴柔性转子系统砂轮端多频率成分振动控制方案具有明显的控制效果。     

传感器径向安装检测转子轴向位移的试验

在磁悬浮轴承中,经常采用转子轴向位移轴向检测的方法,但是不能满足某些空间受限场合的应用要求。针对此问题,本试验采用在转子回转表面加工台阶,传感器径向安装在台阶处,研究了不同安装间隙、不同高度台阶、不同转子径向位移情况下对转子轴向位移测量结果的影响。试验结果表明,在传感器线性测量范围内,传感器输出电压与转子轴向位移成正比,利用径向安装传感器对转子轴向位移进行测量的方法是可行的。     

紧凑型轴流式血泵电机的设计与仿真

针对传统轴流式磁悬浮血泵存在轴向尺寸偏长,不利于植入问题。提出一种将无刷直流电机与径向磁悬浮轴承集成结构,可有效缩短血泵轴向尺寸;在讨论血泵结构的基础上,重点通过对无轴承直流电机进行理论计算,获得其设计参数,然后采用数值仿真,讨论了电流、位移以及转子位置角对无轴承直流电机径向悬浮力的影响关系。     

飞轮储能磁轴承系统结构及其悬浮特性

介绍了一种由径向永磁轴承与电磁推力轴承组成的单轴主动控制的飞轮储能磁轴承系统结构 ,径向永磁轴承提供径向恢复力与轴向悬浮力 ,电磁推力轴承提供轴向恢复力。并对系统的结构参数计算及其磁悬浮特性进行了分析与讨论。研究结果表明 ,永磁轴承动、静磁环轴向位移对系统承载力与刚度有明显影响 ,采用多对磁环永磁轴承 ,有利于提高系统承载力与径向刚度     

五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性分析

为探讨永磁悬浮轴承系统的稳定悬浮特性,从轴承刚度角度对五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性进行了分析。采用等效磁荷理论建立永磁轴承的承载力、承载力矩和刚度的数学表达式,并利用蒙特卡洛法对表达式中存在的四重积分进行求解。探究转子在受迫进动情况下以及受到外力矩干扰时继续保持稳定旋转所需要的最低临界转速。基于轴向永磁轴承与径向永磁轴承的结构,提出一种六磁环五自由度全永磁轴承系统结构模型,对全永磁轴承的转子系统承受轴向和径向外载荷的承载力、力矩和承载刚度进行分析,得出轴向可以承受外载荷而径向无法承受外载荷,即静态下轴向可以稳定悬浮、径向不能稳定悬浮,符合Earnshaw定理。利用刚性转子的陀螺惯性力矩来承受全永磁轴承系统的不平衡力矩和外力矩,从而保持转子定轴自稳定悬浮,并对系统稳定悬浮特性进行计算,结果表明转子在超过最低临界转速后是可以实现动态稳定悬浮的,具有一定的工程应用价值。     

永磁轴承最小悬浮转速与转动惯量的关系研究

为研究永磁悬浮旋转体实现稳定平衡的最小转速与转动惯量的关系,设计了一种新型永磁轴承透平机,在同一定子内安装3个结构和尺寸相同但转动惯量不同的转子。测量3个转子的转动惯量,并用均匀分布在透平机定子外部的4个霍尔传感器测量转子偏心距。实验结果表明,当转速超过某一临界值时,陀螺效应使得永磁悬浮透平机转子维持稳定的悬浮,并且最小悬浮转速与转动惯量负相关,即转动惯量越大的转子悬浮需要的转速越小。