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1、河海大学硕士学位论文主动磁悬浮轴承的研究姓名：冯骏申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：姚河清20040301河海大学硕士研究生论文主动磁悬浮轴承的研究摘要主动磁轴承怒种典型的机电一体化产品，是一种新魁的高性能支承部件。葵具有无摩擦、无壤损、无需润滑以及寿念长等系烈传统戆滚动轴承和潺动辘承所无法比拟的优点。随赘主动磁轴承技术逐渐被人们认识和掌握，主动磁轴承将广泛遗敷嗣予以下壤域：航空靛天锈域、囊空鼓拳领域、梳床与鬻蘧旋转祝辕、能源交通等。主动磁轴承技术是一种高新技术，箕研究涉及到电磁学、控制理论、辊械学、转子动力学以及计算枧科学等多个学辩的知识。其中，磁轴承控制器的研究是熊中至笑重要的
2、一环，控制器性能的好坏影响到磁轴承的动态性能和转予的回转精度，纛接关系到磁辘绶能蚕寝媛。本文在分析电磁轴承工作原理的基础上，建立了磁轴承系统中转轴的单自崮液传递函数摸羹帮嚣自由度状态方程模黧；根据轴承最大起浮力为给定工 乍载荷的n s 倍为设计准则来确定径向轴承的内、外径，完成了磁悬浮轴承的设计，使设计的轴承更加适应予实际的疲用 并按照磁悬浮控制系统的菲线性迟潞韵特性，进一步设计了遥合磁轴承系统的模糊P I D 控制器，并通过M A T L A B 推导出最终的模糊控制表。最后对所设计的系统用D S P 进行了实现。美键词：主动磁辆承D S P 模糊P I D 按镧器设诗塑童查兰堡主堑壅生堡塞
3、圭垫壁墨竖塑墨塑堕壅A b s t r a c tA c t i v eM a g n e t i cB e a r i n g ( A M B ) i so n eo ft y p i c a lm e c h a t r o n i cp r o d u c t sa n dan e wt y p eh i 曲p e r f o r m a n c eb e a r i n gp i e c e I th a st h ep r o p e r t i e so fn of r i c t i o n n of r a y ,d i s p e n s ew i t hl u b r i
4、c a t e ，l a s t i n gl i f e ，a l le x t r u d ee x c e l l e n c ea b o v ew h i c hc a n tb es e e ni nt r a d i t i o n a lr o l lb e a r i n ga n ds l i d i n gb e a r i n g W i t ht h et e c h n o l o g yo fA M Bi sk n o w na n dm a s t e r e dg r a d u a l l y , A M Bw i l lb ea p p l i e dt
5、ot h e s ef i e l d sf a ra n dw i d e ：a v i a t i o na n ds p a c ef l i g h t ，v a c u u mt e c h n o l o g y , m a c h i n e t o o la n dt a i l w a g g i n ge n g i n e ，e n e r g ys o u r c ea n dt r a f f i c ，a n dS Oo n A M Bi so n eo ft h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y , a n dt h er e
6、 s e a r c hc o m ed o w nt oE l e c t r o m a g n e t i c s ，C o n t r o lT h e o r y , M e c h a n i c s ，R o t o rD y n a m i c sa n dC o m p u t e rS c i e n c e ，a n dS Oo n T h em o s ti m p o r t a n tf i e l do fA M Br e s e a r c hi st h er e s e a r c ho ft h eC o n t r o l l e ro fT h eA
7、M B T h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e ra f f e c t st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eA M Bs y s t e ma n dt h ec i r c u m g y r a t e t i o np r e c i s i o no ft h er o t o r w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ea p p l i c a t i o no f t h eA M B T h i st h
8、e s i sm a k e sb a s eo nt h ea n a l y s e so fA M Bw o r k i n gp r i n c i p i u m ，a n de s t a b l i s ht h em a t h e m a t i cm o d e lo fs i n g l ea x i sA M Bs y s t e ma n df o u ra x i sA M Bs y s t e mf o rt h er o t o ro ft h eA M Bs y s t e m A c c o r d i n gt ot h es u s p e n df o
9、 r c ei sn st i m e st h a ng i v e nl o a d ，w ed e s i g ni n n e rd i a m e t e ra n do u t e rd i a m e t e ro ft h eA M B ，w h i c hm a k et h eb e a r i n gm o r ec o m p a t i b l e A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fb e a r i n g Sn o tl i n e a t i t y , w ed e s i g nF u z z y -
10、P I Dc o n t r o l l e ra n dd e d u c et h ef u z z yc o n t r o l St a b l eu s i n gM A T L A B A tl a s t ，w er e a l i z et h es y s t e mb yu s i n gt h eD i g i t a lS i g n a lP r o c e s s o rc h i p( T M S 3 2 0 F 2 4 0 ) K e yW o r d ：A c t i v eM a g n e t i cB e a t i n gD i g i t a lS
11、i g n a lP r o c e s s o rF u s s y P I Dc o n t r o l l e rD e s i g n 1 1河海大学硕士研究生论文第一章绪论第一章绪论1 1 磁悬浮毒l l l 承筒介磁悬浮轴承( 滋下简称磁轴承) 是一种科用电磁场力将转予悬浮于空闯，不需要铗钶介震嚣实现承载鹣菲接触式支撑装置。磁悬浮辘承豹种类缎多，按照懋浮磁场懿枣弱，毒分必眭下A 类“1 ： 1 按磁场力毂来源分为永久磁铁型、趣戳铁彝采久磁铁混合型鞋及缝迤磁铁型； 2 按磁场力是否可以受控分为被动型和主动型； 3 按磁场力类型分为吸力型和斥力型。目前，鬻用的是主幼磁悬浮轴承( A c
12、 t i r eM a g n e t i cb e a r i n g ，简称A I 毋) ，利用定子上的电磁线髑与转子上的铁磁材料之间的吸力实现支撑。这种新型转予竞撑件有如下突出优点： 1 回转速度高。磁轴承的转速只受转子铁磁材料的限制，最大线速度可达2 0 0 m s ： 2 无縻损，功耗低； 3 无需润淆和密封系统，适用多种工作环境，而且对环境温度不敏感； 蛔其有叁幼平衡牢擎性，可使转子系统螽身的惯性辅回转，祆而消除了不平衡力，使梳隽静振动大丈降低。磁悬浮轴承懿主要缺点是：尉瞧较滚动轴承小，必须使蹋控制器；纯窀磁铁銎 体积和璧垂辫较大，惫急情撬下威交能力嚣，因恧大多数系统辩备了辅助辅承
13、，以数结构复杂。l 。2 磁悬浮辘承发展及现状利用磁力使物律处予无接触悬浮状态的设想由来已久，但实现起来并不容易。早在1 8 4 2 年，E a r n s h o w 就证明：单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所商6 个自由度上都保持在裔由稳定的悉浮状态的。真夔意义上的磁悬浮研究蔻驮上1 登纪初利用电磁褶强暴毽进行耱悬浮车辆稀究翻。1 9 3 7 年，德雷K e n p e r 牵诸了第一个磁悬浮技术专耩，缝诀为要使铁磁体实现稳定的磁悬浮必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用哥控毫磁铁才能实现。这一愚想成为之鼷牙震磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究妁圭导愚想。露时耀，美国V i r g
14、i n i a 大学的B e a m s 和H o l m e s 也对磁熬浮理论进嚣了研究，他们采用电磁悬浮技拳悬浮小球，菸邋过钢球赢速旋转时能承受的离心力寒主动磁感浮轴承的研究铡定试验材料的强度，澳I 置过程中锈球所达至H 的最高旋转速縻为1 8 1 0 7r r a i n 。在这一转速下，镪球由于离心力的作耀面爆裂，他们据此来报葵材辩的强度极限。这可能是世界上最翠采用磁燎浮技术支撑旋转体韵成属实例。伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，上世纪6 0 年代中期，磁悬浮技术豹研究避来了美妙酌春夭。英国、日本、德国都相继并瀑了对磁悬浮歹l j 率的研究。磁悬浮轴承的研究是磁悬浮技术发展并向
15、应用方向转化的一个重要实例。撵有关资料记载：1 9 6 9 年，法国军酃莽 研实验室( L R B A ) 汗始黯戳悬浮轴承的研究；1 9 7 2 年，将篇一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上，从而揭开丁磁悬浮轴承发嶷戆序幕。1 9 7 6 年法国S E P 公司与S K F 公司联台投资成立了S 2 M 公司，对超高精密加王巍寐用的磁悬浮辍承进行了系统静骚究秘并发。1 9 7 7 年，该公司开发了毽赛上第一台高速机床的磁悬浮主轴；1 9 8 1 年在H a n o v e r 欧洲国际机床展览会上，羞次摧出了B 2 0 5 磁悬浮燕辘系绞，势农3 5 0 0 0 r m i n 逮发下进露了
16、链、镜瑗场表演，其黼速、高精度、简效、低隧耗的优良性能弓I 起了各国专家的极大关注。悲薅，瑞士、美国、嚣本窝德国等王渡发达黧家相继建立了磁悬浮辘承的专妲公司。日本将磁悬浮轴承列为8 0 年代新的加工技术之一，1 9 8 4 年，S 2 M 公司与日本耱工电子工业公司联会成立了日本的磁辘承公司，在日本生产、销售涡轮分子泵和机床轴承主轴等。磁悬浮轴承除了在机床领域得到了广泛的应用外，在离心压缩机、分子涡流裘、汽轮发动机等大型设铸上也褥到了成功的应嗣。在航哭航空颥域，美国德雷钓实验室子年代初首先在空阉制导和惯性轮上成功蛾使用了磁悬浮轴承，在1 9 8 3 年1 1 月搭载于航空飞机上的欧洲空间实验仓里采用了磁悬浮轴承真空泵；法国在S P O T 地球蕊涎重星中安装了姿态控螽l 惩的磁悬浮飞轮；1 9 8 6 年6 月日本在H l 型火箭上进行了磁悬浮飞轮的空间实验。最近几年，美国j c 壹磁悬浮辘承奁先进发动执主瘦蠲静哥幸亍往徽了系统静耩究，磷究静绥莱表明：使用磁悬浮轴承可以将发动机的
