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。     

飞轮材料对磁悬浮轴承转子系统动态特性的影响

为了解磁悬浮轴承转子系统动态特性,进而对其结构进行优化设计,建立了磁悬浮轴承转子系统的动力学模型,假设磁轴承是具有一定刚度的弹簧模型,以7075铝合金材料飞轮为突破口,利用ANSYS Workbench进行转子系统的模态分析,得到了转子的固有频率和振型;并针对不同飞轮材料对转子系统固有频率的影响规律进行对比研究,得出7075铝合金作为飞轮材料优于其他3种合金材料的结论,为转子系统的结构设计和优化提供了重要参考。     

磁力轴承刚度的实验测量方法

在磁力轴承研究中关于磁力轴承刚度存在两种不同的定义,从转子受力分析和控制系统传递函数角度看,这两种刚度定义之间存在差异。针对两种不同的刚度定义分别给出了其测量方法,并设计了磁力轴承刚度测量的实验系统。该实验系统可以实现磁悬浮转子静态悬浮、刚性旋转和柔性旋转工作状态下的刚度测量。     

基于传递矩阵法的磁悬浮轴承转子的动力学分析

转子是磁悬浮轴承系统旋转机械的核心部件,其性能与系统稳定性及各项技术指标紧密相连。提升转子动态性能已成为当务之急。以磁悬浮开关磁阻电机的磁轴承转子为例,通过普劳尔传递矩阵法和MATLAB强大的绘图功能分别就柔性、刚性两种不同状态下的支承,计算出了该轴系的固有频率及临界转速,并得到了相应的主振型图。     

磁悬浮轴承-柔性转子系统的结构设计

简述了磁悬浮轴承柔性转子的发展进程,分析磁悬浮轴承-柔性转子系统的结构及工作原理,从理论上把转轴设计成细长的柔性转子,并从结构上设计了一台磁悬浮轴承-柔性转子系统试验装置。     

基于结构动态特性的磁力轴承转子系统的设计

分析了径向磁力轴承动力学特性,计算了磁力轴承的刚度系数和阻尼系数。在此基础上,对磁力轴承的转子结构动态特性进行了有限元分析。提出了基于结构动态特性的磁力轴承转子控制系统的设计方法。     

基于ANSYS的磁悬浮转子的模态分析

以磁悬浮轴承转子系统的组成及工作原理为基础,在ANSYS9.0中建立了磁悬浮转子的三维有限元模型.采用Subspace法计算了前4阶固有频率和振型,并与试验模态分析结果进行了对比.结果显示,基于有限元法得到的数据与试验模态分析基本一致,所建立的有限元模型为柔性转子系统设计提供了一定的理论依据.     

磁悬浮转子系统演示装置的研制

磁悬浮转子系统是磁力轴承的一个典型应用。介绍了一种科普用磁悬浮转子系统演示装置的基本结构、控制原理，并给出了基于MATLAB的径向磁力轴承的控制方案和仿真结果。     

基于有限元的磁悬浮轴承支承转子的模态分析研究

以磁悬浮轴承支承转子系统的组成及工作原理为基础,运用有限元ANSYS11建立磁悬浮轴承支承的转子的三维模型,通过模态分析模块分析该转子的前三阶固有频率和振型,并与实验模态分析作比较,仿真结果与实验结果确一定的误差,但误差不大,最大误差是6．9％,最小误差是1．03％,给进一步分析该转子的动态特性提供了基本正确的确限元模型。     

磁力轴承-转子-基础系统的耦合动力学分析

研究了基础运动对磁力轴承转子系统动力学特性的影响,结合转子运动方程和系统控制器的电学微分方程,分析了陀螺效应、传感器与磁轴承非共点安装对系统动力学性能的影响,建立了磁悬浮轴承-转子-基础系统的机电耦合动力学模型,应用所建模型对5自由度磁悬浮转子系统进行了动力学性能分析。结果表明,基础的支承刚度对转子的摆动频率及临界转速影响显著,该模型适用于5自由度磁悬浮轴承-转子-基础系统的动力学性能研究。     

磁悬浮转子振动主动控制综述

利用磁悬浮系统的可控性,应用于转子的振动控制,将会进一步提高转子的旋转精度.本文阐述了磁悬浮系统控制转子振动的研究现状,磁悬浮系统的结构,工作原理及磁悬浮系统的优点.并且分析了将磁悬浮系统应用于控制转子振动的两种方法,指出现在这两种方法的缺点.并介绍了点磁悬浮动力吸振器的优点.在文章的最后提出了研究这种系统所要面临的问题.     

永磁体磁浮叶轮血泵的研制和试验研究

旋转血泵磁浮轴承的定子和转子之间没有机械接触,所以其内部不会发生机械磨损或产生血栓。然而,现有的磁浮轴承均采用电磁铁来实现磁浮,不仅控制复杂,而且自身消耗能量。事实上,叶轮血泵要做到用电磁铁来实现磁浮,势必要影响其装置的简易性、可靠性和可植入性。采用永久磁铁研制出磁浮叶轮血泵。泵的转子径向由永久磁铁磁力支撑,转子的一端紧固叶轮,另一端镶嵌磁钢;与转子磁钢相对,驱动磁钢连接在电动机转轴上。这样,电动机通过磁偶合来驱动转子。在实验室用生理盐水试验,当转子静止或低于4 000r/min旋转时,转子磁钢在轴向与位于转子和定子之间的隔板有一点接触,接触点位于转子的轴线上。当转子转速逐渐增加至4 000r/min以上,转子在轴向与定子脱离,从而实现完全磁浮。由于转子轴向磁浮由液动力产生,且转子磁钢有陀螺效应,所以转子在浮起的过程中运转非常平稳。作为左心室辅助装置,叶轮血泵工作转速范围在5 000～8 000r/min之间,所以实用时转子完全磁浮是不成问题的。永磁体磁浮叶轮泵保持了旋转血泵的优点,而且克服了用电磁铁来实现磁浮的诸多缺点,能够满足人工心脏叶轮血泵应用的大多数技术要求,从而更具实用价值。     

有源静电轴承的动刚度特性研究

针对补偿负刚度后的静电轴承一转子系统模型,讨论了PID控制参数与动刚度特性的关系,为根据刚度指标确定控制参数提供了理论依据。对三自由度静电球轴承的动刚度分析与实验结果表明,系统在低频与高频段具有较高的支承刚度,而中频刚度较低,刚度幅频特性曲线呈“浴盆”状。在系统通频带内,动态刚度主要由控制器参数决定,而高频刚度主要取决于转子的惯性项。在系统稳定区域,改变控制器参数可以灵活设定系统的动刚度特性。     

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。     

磁动压混合推力轴承的研究

提出了一种利用磁场力辅助流体动压轴承工作的磁动压混合推力轴承。这种轴承在机器起动和停车阶段，依靠磁场力支承转子系统，当机器达到一定转速后，主要由动压油膜承受轴上载荷，从而克服了流体动压轴承在此阶段出现混合摩擦的问题。研究了这种混合推力轴承承载能力的数学模型，计算了磁轴承的承载能力。设计制造了试验装置并对这种轴承在不同气隙和转速下的性能进行了试验测试。结果表明这种磁动压混合的工作原理是可行的，可以改善流体动压轴承的工作性能。     

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。     

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.     

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。     

Miniaturization of a one-axis-controlled magnetic bearing

The design of a novel micro-magnetic bearing (MMB) for a 2-mm-diameter rotor is discussed. The bearing is supported by magnetic couplings generated by permanent magnets and is stabilized by a one-axis controller. The structure of the MMB is greatly simplified, not only in terms of machining and assembly of micro- and precision parts, but the number of mechanical parts is also reduced in comparison with previous designs of MMB. To increase the magnetic stiffness used to support the rotor in the passively controlled directions and to realize stable levitation using one-axis control, the dimensions of the mechanical parts that affect the magnetic stiffness are investigated using a finite element method. An MMB for a 2-mm-diameter rotor was constructed, such that the rotor could be levitated without mechanical contact and which rotated at 39,000 rpm. The static and dynamic characteristics of the MMB are evaluated, including magnetic stiffness, rotational accuracy and power consumption.     

金属球纳米级微位移测量电路的分析

转子位移检测环节是静电悬浮轴承的重要组成部分,位移测量电路的性能直接影响到转子在电极球腔中的定中精度。介绍了一种高精度转子位移测量电路的工作原理,分析了各个环节的特性。测试结果表明,电路性能与理论分析结果易合较好,位移测量电路的分辨率,灵敏度,线性测量范围,零位稳定度及通频带等指标可以满足高精度静电悬浮轴承的要求。