纯电磁轴承自适应变偏置电流低功耗控制

针对高速磁悬浮电动机中纯电磁轴承采用固定偏置电流功耗较大的问题,在PID控制基础上介绍了一种自适应变偏置电流的控制方法,建立了PID控制比例环节与偏置电流和电磁轴承综合刚度间的关系模型,推出了电磁轴承功耗与偏置电流间的关系,结合约束条件,得到了最低功耗时偏置电流与转子位移和电磁轴承综合刚度间的函数关系。在控制过程中,电磁轴承综合刚度是对比给定的,转子位移通过电涡流位移传感器进行检测。理论分析和试验结果均表明:该方法在保证系统稳定性的前提下,可以有效降低电磁轴承的功耗。     

主轴系统混合磁悬浮轴承的设计

介绍了永磁偏置的混合磁悬浮轴承的工作原理。导出了主轴系统混合磁悬浮轴承的悬浮合力,得到了它的最大承载力条件及其设计计算公式。建立了混合磁悬浮轴承结构参数的设计计算理论,并在最后得出结论：永磁偏置混合磁悬浮轴承因无偏置绕组而体积小、功耗低;增加永磁体内部磁动势,可增大轴承的刚度,提高其承载能力以及降低控制功耗。     

永磁偏置径向磁轴承能量优化与实验

针对磁悬浮飞轮低功耗的要求,对一种经典永磁偏置径向磁轴承进行能量优化研究。介绍了磁轴承的磁路结构和工作原理,基于磁轴承电流刚度和位移刚度数学模型,提取出轴承能量优化因子σ。在此基础上,建立了磁轴承功耗的目标函数,并对磁轴承功耗进行优化,得到了最优功耗数学表达式及其对应的σ大小。通过有限元法对轴承功耗优化结果进行仿真验证,其结果与理论分析结果基本吻合。在此基础上,基于优化结果研制了一套磁轴承,并通过改进现有15Nms磁悬浮飞轮进行功耗测试。结果表明:振幅为10μm时,单组绕组的最优功耗为0.87W,与理论最优值0.79 W的最大误差为9%。该能量优化方法提高了磁轴承低功耗设计效率,对飞轮系统整体功耗优化具有重要意义。     

磁悬浮飞轮轴向混合磁轴承参数设计及分析

磁悬浮飞轮系统是空间飞行器实现高精度姿态控制常用的执行机构,磁轴承作为磁悬浮飞轮中的重要组成部分,要求其具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低、效率高等优点。提出了一种新型轴向混合磁轴承,该磁轴承采用永磁体提供静态偏置磁场,功耗低、体积小,尤其适合在磁悬浮飞轮系统中应用。在阐述磁轴承结构和工作原理基础上,采用等效磁路法推导出磁轴承悬浮力数学模型,得出了磁轴承最大承载力数学表达式;给出了详细的参数设计方法,设计了轴向承载力400 N的磁悬浮飞轮轴向磁轴承;采用有限元方法对其磁路及最大承载力进行了仿真计算和分析,并进行了试验研究。理论和试验结果证明了数学模型的正确性和参数设计合理性。     

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。     

基于变偏置电流方式的交叉反馈控制策略研究

建立磁悬浮飞轮电池试验台,通过理论分析和高速旋转试验,研究了交叉反馈控制策略对飞轮转子陀螺效应的抑制作用和对磁悬浮轴承转子系统动态性能的影响。在交叉反馈控制算法的基础上引入变偏置电流控制方式,根据系统在不同转速下的动态性能,调整磁悬浮轴承的偏置电流,使得磁悬浮轴承具有较低的涡流和磁滞损耗,同时系统也能够平稳越过临界转速。研究表明,采用基于变偏置电流方式的交叉反馈控制策略,能够保证飞轮电池系统具有较好的综合性能。     

轴向零偏置电流控制磁悬浮系统动态性能的研究

为了减小实体推力轴承的铁损,在轴向自由度采用零偏置电流控制,通过试验分析了磁悬浮轴承转子系统的稳定域和动态性能,并与轴向有偏置电流控制磁悬浮系统进行了比较。结果表明轴向零偏置电流控制方法不会降低系统的动态性能。     

恒流源偏置三相磁悬浮轴承研究

六极结构恒流源偏置磁悬浮轴承是一种新颖结构,在定子磁极上有两套绕组,分别形成两对极偏置磁场与一对极控制磁场,根据无轴承电机原理,可产生可控悬浮力。笔者先采用等效磁路法,推导出该轴承在平衡位置附近的线性模型,并用有限元法进行了验证,对两个自由度上电流与位移之间的耦合进行分析,得到按矢量变换方式控制时,耦合较小的结论。然后,设计了一台实验样机,利用TI公司的VC33控制芯片,实现了两自由度静态悬浮,并对偏置磁场对悬浮性能的影响做了比较。最后,进行了动态激振实验。结果表明:三相磁悬浮轴承动态性能良好,适用于高速应用场合。     

基于神经网络逆系统的单自由度混合磁轴承控制器设计

在介绍永磁偏置单自由度混合磁轴承的结构和运行机理基础上,导出了磁轴承吸力方程.建立磁轴承控制系统的数学模型并验证了其可逆性,构造出其神经网络α阶逆系统并与原系统复合成α阶伪线性复合系统,采用PID进行闭环综合.数据仿真和试验结果表明,该控制策略能有效改善永磁偏置单自由度磁悬浮轴承的控制效果,所设计的控制系统具有良好的动、静态性能.     

机械加工误差对主动磁悬浮轴承性能的影响

针对5自由度主动磁悬浮轴承,分析了每种误差类型对主动磁悬浮轴承工作状态的影响机理及特征;定量分析了机械加工误差、系统设计参数和径向磁悬浮轴承线圈干扰电流之间的关系。研究结果表明,机械加工误差会导致径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承相互耦合,增加系统控制难度;同时会导致径向磁悬浮轴承励磁线圈中附加干扰电流,降低径向磁悬浮轴承的有效载荷;通过分析径向磁悬浮轴承励磁线圈中的干扰电流的特征可以推断系统的误差形式,从而采取相应的措施进行改善。研究结果为更合理地确定主动磁悬浮轴承的设计参数、分析主动磁悬浮轴承系统的装配误差、提高主动磁悬浮轴承的性能提供了理论依据。     

磁悬浮飞轮用嵌环式永磁偏置径向磁轴承

为满足航天用扁平转子磁悬浮飞轮对低功耗磁轴承的需求,提出一类同极性嵌环式永磁偏置径向磁轴承(Radial permanent-magnet-biased magnetic bearing,RPMB),旋转损耗低,工作气隙径向内外双环、轴向同层分布,径向磁力为平面汇交力系,具有磁极轴向短、可灵活设计的独特优势.根据全主动、主被动两类磁悬浮飞轮的不同需求,采用磁路分析与有限元仿真的方法,对磁极对齐型、磁极交错型、磁极偏置型三种嵌环式RPMB进行了有针对性的分析与设计,所设计的全主动磁悬浮飞轮,具有轴向长度短、质量小、精度高的优点;所设计的两轴主动磁悬浮飞轮,经优化设计,具有高被动刚度、高电流刚度、电流刚度高稳定性的优点.     

零偏置电流磁轴承转子系统动态性能的试验研究

建立5自由度磁悬浮轴承转子试验系统,分析有偏置和零偏置电流方式的工作原理,将5自由度零偏置电流方式应用于试验系统中,采用锤击法模态试验、基于频率响应函数的模型修正方法和系统高速旋转试验等方法研究该系统的动态性能,并与有偏置电流方式进行比较。研究结果表明,与有偏置电流方式相比,零偏置电流方式将导致控制参数的稳定区域、系统的模态阻尼以及磁轴承的刚度和阻尼明显减小,系统在各阶临界转速时的振幅较大,但系统仍然可以安全稳定越过第一阶弯曲临界转速。在实际应用中,合理的设计仍可保证零偏置电流磁悬浮轴承转子系统安全稳定运行,特别是在低速或载荷平稳等应用场合,零偏置电流方式能够使得系统具有较好的综合性能。     

磁悬浮风力发电机转子系统的研究

针对传统机械辐承支撑的风力发电机起动阻力和起动风速大的问题,设计了一种磁悬浮转子系统,径向和轴向均采用主动磁悬浮轴承支撑,有效地降低了风力发电机的摩擦功耗.通过分析风力发电机所受主要载荷确定了磁轴承承载力的大小,完成了磁悬浮轴承及其相关部件的各项结构和安装设计,为控制系统的研究奠定了基础.     

基于偏置/控制磁场比例约束的单边混合型轴向磁轴承设计

立式电机通常利用混合型轴向磁悬浮轴承对轴向进行卸载和悬浮控制,由于混合型轴向磁轴承中永磁体与控制绕组的结构分布影响其悬浮控制性能,因此需要从偏置和控制磁场的角度对其进行结构设计。分析了一种用于立式电机的新型单边混合型轴向磁悬浮轴承的结构和工作原理,并从电磁场理论计算出发,借鉴电机设计方法,提出了一种以偏置磁场与控制磁场的磁场比为约束条件,动静态承载荷、悬浮刚度为目标进行参数设计。最后通过Maxwell有限元仿真验证了参数设计方法的合理性与有效性。     

电磁轴承-无轴承电机系统在转子主动控制的应用研究

主动磁轴承借助电磁力来控制转子的振动,无轴承电机在实现转矩控制的同时实现电机的悬浮控制。本文在对永磁偏置三自由度电磁轴承和两自由度无轴承电机的磁悬浮机理一般性描述的基础上,分析了其产生的悬浮控制力。并以转子电磁振动为研究对象,结合电磁轴承和无轴承电机的特点,提出利用一种新型的五自由度磁悬浮异步电机作为执行机构对转子电磁振动进行主动控制,实现了转子系统稳定工作。此系统可以有两方面的应用,既可以用做转子的支承,也可以用做转子振动主动控制的增稳。     

基于ARM7的磁悬浮轴承数字控制系统设计

以ARM7TDMI-S CPU为内核的LPC2131微处理器为核心,设计了同极型四自由度径向主动磁悬浮轴承控制器硬件电路及控制软件,采用变速积分-抗积分饱和增量式数字PID实现了对系统转轴位置及线圈电流的双闭环控制。试验结果表明:磁悬浮轴承具有良好的控制精度及静态刚度,满足了磁悬浮轴承控制性能的初步要求。     

永磁偏置混合磁悬浮轴承的研究

重点论述永磁混合型磁悬浮轴承的结构原理.讨论了混合磁悬浮轴承结构及参数设计,提出永磁偏置混合磁悬浮轴承的设计方案.有限元分析结果表明,永磁偏置混合磁悬浮轴承的架构方案是可行的,混合磁路的计算是确切的.     

基于TMS320F28335DSP的磁悬浮轴承数字控制器的研究与设计

磁悬浮轴承系统能否正常运转,在很大程度上由其控制器决定,所以对磁悬浮轴承系统控制器的研究是极为重要的。以TMS320F28335 DSP和EPM240T100CN为主控芯片,设计了磁悬浮轴承数字控制板的硬件电路。在CCS3.3集成开发环境中编写了不完全微分PID控制策略的C语言程序。所研制的数字控制器成功地实现了转子的静态悬浮以及高速旋转,并在磁悬浮轴承试验台上进行了试验。试验结果表明:该数字控制器具有较好的控制性能。     

主动磁悬浮轴承数模混合式PID控制器研究

以主动磁悬浮轴承为研究对象,提出了一种数模混合式PID控制器的工作原理。针对数字控制器和模拟控制器在主动磁悬浮系统应用中的不足,基于TMS320F28335和数字电位器设计了一种主动磁悬浮轴承中的数模混合式PID控制器。控制器实现了PID参数的实时调整,使得磁悬浮系统能够最大程度的适应某些瞬态需求。经过实验验证,设计的数模混合式PID控制器能够满足主动磁悬浮轴承的要求,使系统的稳定性和鲁棒性得以增强。