磁悬浮转子陀螺的研究进展

悬浮转子陀螺具有精度高的潜在优点,并可同时测量二轴角速度和三轴加速度.它可分为静电悬浮转子与磁悬浮转子陀螺两种类型.本文就国内外研究的磁悬浮转子陀螺的各种结构及其工作原理、工艺和性能特点进行了阐述,特别是对磁悬浮转子微陀螺发展的最新进展作了较详细的介绍.     

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.     

非线性强陀螺效应磁悬浮转子的解耦控制

针对磁悬浮控制力矩陀螺径向磁悬浮转子强非线性、强陀螺效应耦合对系统稳定性的影响,建立了磁悬浮转子多通道非线性动力学模型与功放模型,分析了磁悬浮转子系统的强陀螺效应耦合性,提出了一种考虑功放环节的α逆系统结合滑模控制器的解耦控制方法,并对其进行了仿真试验。结果表明,该方法对磁悬浮转子系统有良好的解耦效果与鲁棒性。     

静电悬浮转子微陀螺微位移信号检测系统的设计

为实现对悬浮转子微陀螺转子五自由度的测量,提出了一种频分复用的微位移检测原理,主要介绍了多频率信号发生器,前置放大器,锁相放大器组成的测试系统,设计了一种基于DDS技术的多频率信号发生器和基于锁相放大原理的解调电路。实验和分析结果表明,该电路能实现多自由度微位移检测,设计的多频率信号发生器的频率分辨率能达到0．005821Hz,相位分辨率可以达到0．006rad,检测轴向灵敏度为1．34V／μm,检测径向灵敏度为0．092V／μm,测量电路的轴向位移分辨率为0．45nm,径向位移分辨率为6．6nm,转角的分辨率为0．25μrad,位移检测电路的分辨率,灵敏度和测量范围能够满足静电悬浮转子微陀螺的控制需要。     

提高双框架磁悬浮CMG动态响应能力的磁轴承补偿控制方法与试验研究

针对高动态响应双框架磁悬浮控制力矩陀螺对高速转子悬浮精度的影响,分析磁悬浮高速转子与内、外框架非线性耦合特性,建立内外框架转动时的高速转子动力学模型.该模型在原有陀螺力矩的基础上兼顾转动惯性力矩,考虑到转动惯性力矩中框架角加速度变量在测量过程中存在的不确定干扰和噪声,采用鲁棒H(滤波对内外框架角加速度进行滤波估计;在此基础上,根据力矩补偿控制策略,利用磁轴承控制系统驱动线圈产生相应的电磁力,对转动惯性力矩和陀螺力矩进行补偿控制.试验结果表明,H(滤波对于噪声的不确定性具有良好的鲁棒性,磁悬浮高速转子跳动量减至补偿前的30%以内,提高了磁悬浮系统的稳定性和悬浮精度,改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性.     

悬浮转子式微陀螺的反电动势转速检测

根据液浮转子式微陀螺闭环驱动系统对转子转速测量的需求,提出了一种适用于悬浮转子式微陀螺的反电动势转速检测方法.根据楞次定律,永磁转子在附有检测线圈的定子中转动时,会切割磁感线感应出反电动势.对反电动势信号进行分析,即可测得转子的转速.由于检测线圈与驱动线圈共用定子铁芯,这种检测方法在降低定于结构复杂度的同时,也引入了矩形波驱动信号带来的毛刺干扰.干扰信号经过模拟低通滤波器衰减后,通过模数转换器转换为数字信号.该信号通过单片机上运行的过零检测算法处理后,即可得到当前转子的转速.测试结果表明,该转速检测系统在刷新率为4 Hz、转速达到5 000 r/min以上时,测量值的相对误差在0.3％以内,其非线性误差为0.41％,能够满足对悬浮转子式微陀螺转速进行检测的要求.     

基于ANSYS／Rotordynamics的磁悬浮柔性转子运动特性研究

用ANSYS／Rotordynamics分析软样建立了磁悬浮柔性转子的有限元模型;对转子的运动特性——临界转速、模态轨迹和振型进行了系统的计算和理论分析;研究了磁悬浮柔性转子模态轨迹的特性以及对位移测试信号的影响;同时,为同类磁悬浮柔性转子的悬浮控制提供理论参考。     

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。     

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。     

基于ANSYS/Rofordynamics的磁悬浮柔性转子运动特性研究

用ANSYS/Rotordynamic8分析软件建立了磁悬浮柔性转子的有限元模型;对转子的运动特性--临界转速、模态轨迹和振型进行了系统的计算和理论分析;研究了磁悬浮柔性转子模态轨迹的特性以及对位移测试信号的影响;同时,为同类磁悬浮柔性转子的悬浮控制提供理论参考.     

Modeling and Analysis of a Micromotor with an Electrostatically Levitated Rotor

The modeling and evaluation of a prototype rotary micromotor where the annular rotor is supported electrostatically in five degrees of freedom is presented in order to study the behavior of this levitated micromotor and further optimize the device geometry. The analytical torque model is obtained based on the principle of a planar variable-capacitance electrostatic motor while the viscous damping caused by air film between the stator and rotor is derived using laminar Couette flow model.Simulation results of the closed-loop drive motor, based on the developed dynamic model after eliminating mechanical friction torque via electrostatic suspension, are presented. The effects of the high-voltage drive, required for rotation of the rotor, on overload capacity and suspension stiffness of the electrostatic bearing system are also analytically evaluated in an effort to determine allowable drive voltage and attainable rotor speed in operation. The analytical results show that maximum speed of the micromotor is limited mainly by viscous drag torque and stiffness of the bearing system. Therefore, it is expected to operate the device in vacuum so as to increase the rotor speed significantly, especially for those electrostatically levitated micromotors to be used as an angular rate micro-gyroscope.     

抗磁悬浮石墨转子理论分析与实验

提出了一种由钕铁硼永磁体和高定向热解石墨转子组成的抗磁悬浮结构。石墨转子采用四个叶片结构,其重力与永磁体对它的抗磁力相等,从而实现转子稳定地悬浮在永磁体上方,并在外界驱动转矩的作用下发生转动。有限元软件中仿真得到石墨转子的悬浮高度为130μm,与实验测量值吻合较好,仿真误差为1.5%。实验中利用针孔喷嘴向转子叶片处施加切向气流作为驱动转矩,对转子的旋转速度与气流流速的相对关系进行了测试分析,发现转子最大转速可达500r/min。该抗磁悬浮结构有望用于非接触式的微型传感器和微型电机中。     

悬浮式球转子压电作动器的设计及实验研究

针对机械转子式陀螺仪对支承和高转速的特定要求,设计出一种兰杰文振子和压电圆盘复合驱动的定子,从而在定子振动输出面获得足够振幅的行波运动,实现对球转子的超声近场非接触支承和高速驱动。对圆盘定子进行了结构动力学设计,使其工作频率与兰杰文振子频率基本一致。样机模态实验表明复合定子频率一致性较好。通过悬浮高度和转速测试发现,转子悬浮稳定,转速与驱动频率有关,在200 V激励电压下的共振频率附近可获得最大转速3 880  r/min。     

内插式永磁型无轴承电动机悬浮力模型及其关键参数萃取

为计及内插式永磁型无轴承电动机直交轴电感差异对悬浮运行的影响,实现转子凸极效应下的稳定悬浮运行控制,提出一种建立悬浮力精确模型及其关键参数萃取的新方法。该方法从内插式永磁型无轴承电动机运行原理出发,基于磁场能量方法,建立计及转子凸极影响和定、转子定位偏心的磁悬浮力解析模型。针对模型参数是悬浮力控制及电动机悬浮运行的关键,深入分析该模型中关键参数的获取机理,并通过有限元磁场分析方法实现可控悬浮力和单边磁拉力计算中的参数萃取。在此基础上采用所获取的参数建立内插式永磁型无轴承电动机的有效控制策略,悬浮运行的仿真结果验证参数萃取方法的正确性。     

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。     

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。     

涡轮转子超速试验挠性悬挂系统动态特性研究

立式旋转试验机均采用挠性轴来悬挂转子,对这一挠性系统动力学特性的认识直接关系到转子转接工装设计和超速试验成功与否。本文建立了系统动力学模型,用解析的方法对其动力学特性进行了深入分析,给出了两阶临界转速和稳态响应的计算公式,从而为分析试验过程中的振动问题提供了理论依据。     

永磁磁浮叶轮在心脏泵内的偏心距及振幅测量

研制成一种永磁磁浮心脏泵,无需转子位置测量和控制反馈装置,报道了其转子的偏心距及振幅的测量,从而探明转子究竟是否已经悬浮,和影响转子磁浮性能的各种因素及其影响情况。试验结果表明转子转速和输出流量越高,对转子悬浮越有利;转子与定子之间的气隙和输送介质的粘度对转子的悬浮性能也有影响,且气隙越小、粘度越大对转子的悬浮越有利。     

非接触式球形转子压电作动器驱动器技术

为了解决非接触式超声电机的近声场驱动问题,提出利用有限差分法求解转子转速的方法.首先,设计出一种新型的非接触式球形转子压电作动器,根据其结构建立数学模型,对定转子之间的挤压膜中气体的控制方程进行简化;然后,利用有限差分法对挤压膜和转子的耦合控制方程进行离散并求解出转子随时间的转速变化曲线和稳定后的压力振型;最后,加工出作动器样机并建立实验系统,得出的实验数据与理论计算数据一致.本研究工作对在非接触式超声电机中如何提高转子转速提供了理论分析的方法和途径.     

基于磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构设计

针对常规基因生物芯片成像系统由于基因芯片位姿调整频繁而引起的调整机构机械磨损的关键问题,设计一种基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪。根据基因生物芯片成像扫描仪的工作原理及磁悬浮技术的结构特点,建立由电磁参数与成像分辨率组成的系统微分阵列,通过理论优化确定电磁结构参数,采用有限元分析法对系统进行电磁热结构耦合分析,优化分析结果并搭建实验测试装置。利用本装置对基因生物芯片成像扫描仪进行参数标定,验证扫描仪磁悬浮系统结构设计结果,并与进口PCR仪进行实验测试数据比对。结果表明,本文设计的磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构匝数为340 N时产生的有效电磁面积为180 mm~2,此时磁悬浮系统精度误差小于0.15 mm,与仿真数据基本吻合,与美国Bio-Rad数字PCR系统做T790M突变检测的数据对比实验所测得结果CV<5%。本文设计的基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪精度可以满足基因生物芯片成像检测的要求,为提升调整装置使用寿命方面提供核心技术保障,在提升临床肿瘤筛查、基因诊断技术中发挥重要的作用。