分 類 號 密 級 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )磁懸浮電主軸機械部分設計所 在 學 院專 業(yè)班 級姓 名學 號指 導 老 師誠 信 承 諾我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《磁懸浮電主軸機械部分設計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。承諾人（簽名）： 年 月 日I摘 要磁懸浮技術是將電磁學、機械學、動力學、電子技術、自動控制技術、傳感技術、檢測技術和計算機科學等高新技術有機結合在一起，成為典型的機電一體化技術。磁懸浮技術是利用磁場力使一物體沿著或繞著某一基準框架的一軸或者幾軸保持固定位置，由于懸浮體和支撐之間無任何接觸，克服了由摩擦帶來的能量消耗和速度限制，具有壽命長，能耗低，安全可靠等優(yōu)點。目前，各國已廣泛開展了對磁懸浮控制系統(tǒng)的研究隨著控制理論的不斷完善和發(fā)展，采用先進的控制方法對磁懸浮系統(tǒng)進行的控制和設計，使系統(tǒng)具有更好的魯棒性。在我國，磁懸浮技術研究起步較晚，水平相對落后。隨著電子技術的發(fā)展，特別是電子計算機的發(fā)展，帶來了磁懸浮控制系統(tǒng)向智能化方向的快速發(fā)展。近年來，磁懸浮技術開始由宇航、軍事等領域向一般工業(yè)應用方面發(fā)展，廣泛應用于很多領域，如：磁懸浮列車、磁懸浮隔振器、磁懸浮軸承、高速機床進給平臺、磁懸浮硬盤、飛輪電池等。本設計主要針對磁懸浮技術對一種磁懸浮主軸進行探索與研究.關鍵詞：磁懸浮技術，電磁學,主軸IIAbstractThe magnetic suspension technique is the electromagnetics, mechanics, dynamics, electronic technology, automatic control technology, sensor technology, detection technology and computer science and high technology are organically combined together, become a typical electromechanical integration technology. The magnetic suspension technique is the use of magnetic field makes an object along or around a reference frame of a shaft or shaft to maintain a fixed position, due to suspension and support between without any contact, overcome by the friction caused by energy consumption and the speed limit, has long service life, low energy consumption, safe and reliable advantages. At present, all countries have been widely carried out in the research on magnetic suspension control system with the control theory of continuous improvement and development, the use of advanced control method for maglev system control and design, the system has better robustness. In our country, magnetic levitation technology research started late, the level is relatively backward.With the development of electronic technology, especially the development of the electronic computer, brings a magnetic levitation control system intelligent direction of the rapid development of. In recent years, magnetic levitation technology started by the aerospace, military and other fields to the general industrial applications development, widely used in many fields, such as: maglev, maglev isolator, magnetic bearings, high-speed machine tool feeding platform, hard disk, the flywheel battery.This article mainly aims at the magnetic suspension technology of a kind of magnetic suspension spindle to explore and research.Key Words: magnetic suspension technique,electromagnetics,suspension spindleIII目 錄摘 要 IABSTRACT.II目 錄 III第 1 章 緒論 11.1 磁懸浮原理及其特點 .11.2 磁懸浮技術應用狀況 21.2.1 磁懸浮軸承 21.2.2 磁懸浮列車 21.2.3 磁懸浮工作臺 31.2.4 磁懸浮隔振器 31.3 磁懸浮軸承的基本原理 51.4 磁懸浮軸承的發(fā)展過程和未來的研究方向 6第 2 章 磁懸浮系統(tǒng)介紹 102.1 磁懸浮系統(tǒng)的基本結構 .102.3 磁懸浮系統(tǒng)的動力學模型 .102.3.1 剛體運動方程 102.4 電磁力模型 .112.5 繞組回路的電學方程 122.6 線性化模型分析 13第 3 章 磁懸浮主軸部分設計 163.1 論文的主要工作 .163.2 磁懸浮軸承機械系統(tǒng)的設計 163.2.1 磁懸浮軸承的結構及材料 .163.3 磁懸浮軸承系統(tǒng)的結構布置形式 .173.4 電磁鐵的設計 17IV3.5 初始參數(shù)的選擇 .193.6 磁懸浮軸承動力學模型的建立 203.6.1 單自由度轉子的數(shù)學模型 .203.6.2 轉子的位移方程 .213.7 徑向磁懸浮電主軸的系統(tǒng)設計 22第 4 章 磁懸浮 AMBS24第 5 章 總結與展望 .29參考文獻 .30致 謝 31附錄 .32第 1 章 緒論1第 1 章 緒論1.1 磁懸浮原理及其特點磁懸浮技術是利用電磁力將物體無機械接觸地懸浮起來，該裝置由傳感器、控制器、電磁鐵和功率放大器等部分組成。根據(jù)在磁懸浮系統(tǒng)中實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的電磁力的狀態(tài)（是靜態(tài)的還是動態(tài)的） ，可將磁懸浮系統(tǒng)劃分為無源（被動）和有源（可控）兩種懸浮系統(tǒng)。它一般是由懸浮體、傳感器、控制器和執(zhí)行器 4 部分組成。其中，執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。現(xiàn)假設在某參考位置上，由于懸浮體受到一個向下的擾動，它將會偏離其參考位置。這時，傳感器檢測出懸浮體偏離參考點的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號；功率放大器將這一控制信號轉換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產生電磁力，從而驅動懸浮體返回到原來的平衡位置。因此，不論懸浮體受到的擾動是向下還是向上，它始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)磁力彈簧是磁懸浮系統(tǒng)重要的執(zhí)行器元件。根據(jù)產生磁力的方式不同，磁力彈簧可被分為電磁彈簧和永磁彈簧兩種。東南大學的朱美玲、袁世峰等研究了一種電磁彈簧模型。在此模型中，靜態(tài)力基本上由永磁體產生的力支持，外部擾動產生的振動則由通電線圈產生的電磁力來控制。永磁彈簧通常僅由永久磁鐵來提供磁力，而永久磁鐵常選取稀土類磁性材料。江蘇大學的錢坤喜、呂利昌等人研制了一種稀土磁力彈簧。南京航空航天大學的龔余才，對稀土磁彈簧吸振器的特性進行了研究，他介紹了稀土金屬制成的磁彈簧吸振器的構造和工作機理，并分析了磁彈簧剛度的可調節(jié)性及其剛度與磁彈簧的有關參數(shù)間的關系。由于磁懸浮不存在機械接觸，因此具有下列優(yōu)點：一是完全無磨損、無污染，可在真空和腐蝕性介質中長期使用；二是完全無機械摩擦，功耗小、噪聲低、效率高，不需潤滑和密封，可用于高速工程，解決高速機械設計中潤滑和能耗的問題。對于有源式磁懸浮系統(tǒng)，可以控制其剛度、阻尼的大小，使其與外界干擾頻率相適應，從而保持懸浮物體處于平衡狀態(tài)，便于振動的主動控制。此外，對于有源式磁懸浮系統(tǒng)，其懸浮物體的全部運動特性可由位置傳感器測得，便于實現(xiàn)運行狀態(tài)診斷和監(jiān)測。21.2 磁懸浮技術應用狀況1.2.1 磁懸浮軸承磁懸浮軸承與磁懸浮列車是目前國內外研究較多的兩類磁懸浮技術產品；而在國外，目前磁懸浮軸承已經開始進入工業(yè)應用階段。我國從 20 世紀 80 年代開始研究磁懸浮軸承技術，現(xiàn)已取得了一定的研究成果。傳統(tǒng)的磁懸浮軸承需要 5 個或 10 個非接觸式位置傳感器來檢測轉子的位移。由于傳感器的存在，使磁懸浮軸承系統(tǒng)的軸向尺寸變大、系統(tǒng)的動態(tài)性能降低，而且成本高、可靠性低。由于受結構的限制，傳感器不能裝在磁懸浮軸承的中間，使系統(tǒng)的控制方程相互耦合，導致控制器設計更為復雜。此外，由于傳感器的價格較高，導致磁懸浮軸承的售價很高，這大大限制了它在工業(yè)上的推廣應用。因此，如何降低磁懸浮軸承的價格，一直是國際上的熱點研究課題。近幾年，結合磁懸浮軸承和無傳感器檢測兩大研究領域的最新研究成果，誕生了一個全新的研究方向，即無傳感器的磁懸浮軸承。它不需要設專門的位移傳感器，轉子的位移是根據(jù)電磁線圈上的電流和電壓信號而得到的。這類磁懸浮軸承將使轉子的軸向尺寸變小、系統(tǒng)的動態(tài)性能和磁懸浮軸承的可靠性得到提高；這樣磁懸浮軸承的控制器將便于設計，價格也會顯著下降。1.2.2 磁懸浮列車對于磁懸浮列車的研究由來已久，其依靠電磁吸力或電磁斥力將列車懸浮于空中并進行導向，實現(xiàn)列車與地面軌道間的無機械接觸。按懸浮方式，磁懸浮列車可被分為常導磁吸型和超導排斥型兩類。以德國高速常導磁懸浮列車 TransRapid 為代表的常導磁吸型利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理，由車上常導電流產生電磁引力，吸引軌道下的導磁體，使列車浮起。以日本 MagLev 為代表的超導排斥型磁懸浮列車，利用超導磁體產生的強磁場在列車運行時與布置在地面上的線圈相互作用，產生電動斥力將列車浮起，其懸浮氣隙較大，技術相當復雜，并需屏蔽發(fā)散的電磁場。目前，在世界磁懸浮列車技術領域中，日本和德國占據(jù)領先地位。我國磁懸浮列車研究始于 20 世紀 80 年代，雖然起步晚，但發(fā)展很快。上海的磁懸浮列車項目是世界上第一條投入商業(yè)化運營的高速磁浮線路，并于 2002 年 12 月 31 日成功實現(xiàn)了單線通車試運行。第 1 章 緒論31.2.3 磁懸浮工作臺隨著對加工和測量裝備精度要求的不斷提高，有關長行程、超精密運動控制的研究引起了人們越來越多的興趣。已有研究表明，影響長行程、超精密運動控制精度的最主要因素是摩擦力非線性。而磁懸浮正是一種實現(xiàn)長行程、超精密運動控制的較為理想的方式。磁懸浮工作臺的關鍵技術之一是電磁鐵的結構和參數(shù)。由于只能使用電磁鐵的吸引力，因此在工作臺的上方必須有電磁鐵以平衡重力。一方面，在一定程度上會影響工作臺臺面上工件的安放，這一問題只能通過將電磁鐵的尺寸設計得盡量小而得到解決；另一方面，電磁鐵會有明顯的靜態(tài)功耗（銅損） ，由此而產生的熱量對精密系統(tǒng)的指標通常會造成嚴重的影響。要降低靜態(tài)功耗，則設計又需要將電磁鐵及其繞組的尺寸盡量加大。這兩個相互矛盾的要求是磁懸浮工作臺設計的主要問題之一。針對此問題，西安交通大學的毛軍紅、李黎川等人提出了采用三磁極電磁鐵的超精密磁懸浮工作臺。通過與常規(guī)的采用雙磁極電磁鐵的磁懸浮工作臺的比較顯示，采用三磁極電磁鐵的超精密磁懸浮工作臺可使靜態(tài)功耗（或發(fā)熱量）降低 50%，且具有更合理的空間結構。1.2.4 磁懸浮隔振器由于磁懸浮隔振器的磁場力大小與兩個極板之間的距離呈非線性關系，從而使得磁懸浮隔振具有良好的非線性隔振性能。中國科學院力學研究所的崔瑞意、申仲翰等人研制了一種磁懸浮隔振裝置。該隔振裝置的外觀大致呈圓柱形，圓柱的中心部分裝有磁性材料，上、下兩端可分別與振體和基礎相聯(lián)接。在設計過程中，應考慮摩擦、運動軌跡的約及穩(wěn)定性等諸方面的因素。國防科技大學的龍志強、尹力明等人共同設計研究了一種磁懸浮隔振系統(tǒng)。在建立隔振系統(tǒng)動力學模型的基礎上，分析了隔振系統(tǒng)的基本特性，并提出了應用加速度反饋來壓低系統(tǒng)頻帶的方法。韓國的 Y-B Kim、W-G Hwang 等研究了一種使用電磁減振器的主動振動控制懸架系統(tǒng)。通過對縮小模型的試驗分析表明，此電磁減振系統(tǒng)在各種激勵輸入下均具有良好的減振效果；但由于不能獲得足夠大的放大器電流以及散熱問題，使得其實際應用受到了限制。日本的藤田悅則、川崎誠司等提出了一種磁懸浮減振機構并獲得國家專利。此減振機構利用至少兩個永久磁鐵構成排斥型磁性彈簧，通過適當選擇一個永久磁鐵相對于另一個的運動軌跡，使磁性彈簧內的存儲磁能近似4一定，從而設定彈簧常數(shù)值近似為零。此外，磁懸浮技術在半導體制造業(yè)，鋼鐵制造業(yè)和汽車制造業(yè)等大規(guī)模工業(yè)中也已開始應用?？梢灶A期，隨著磁懸浮技術的不斷普及，更多的應用產品將會不斷地出現(xiàn)?，F(xiàn)代機械工程都在朝著信息化、自動化、智能化發(fā)展，近幾十年的發(fā)展表明，在現(xiàn)代機械工程領域里，幾乎所有有生命力、有發(fā)展前途、有較大影響的新技術、新工藝和新生科研方向都集中在機電一體化（mechantronics）領域。和傳統(tǒng)機械相比，機電一體化機械主要增添了傳感器(sensor)和控制器(controller)兩大部分，它不僅能感受環(huán)境的變化，而且還能根據(jù)控制程序對此做出反應，具有類似于人的功能。磁懸浮軸承(magnetic bearing)就是機電一體化機械的典型產品，是現(xiàn)代高技術的結晶。磁懸浮軸承是一種利用電磁場力將轉子懸浮于空間，不需要任何介質而實現(xiàn)承載的非接觸式支承裝置，與傳統(tǒng)的滾動軸承和滑動軸承相比，磁懸浮軸承明顯的特點在于沒有機械接觸，不需要傳力介質，而且其支承力可控。因此而具有傳統(tǒng)軸承無法比擬的優(yōu)越性：由于沒有機械摩擦和磨損，所以降低了工作能耗和噪聲，延長了使用壽命；動力損失小，便于應用在高速運動場合；由于不需要潤滑和密封系統(tǒng)，排除了污染，可用于真空超凈，腐蝕性介質以及極端溫度和壓力等特殊工作環(huán)境；具有良好的轉子動力學特性。軸承是機電工業(yè)的基礎產業(yè)之一，其性能的好壞直接影響到機電產品（如超高速超精密加工機床）的科技含量及其在國際上的競爭力。由于磁懸浮軸承具有一系列的優(yōu)良品質，從根本上改變了傳統(tǒng)的支承形式，它在航空航天、能源交通、機械工程、機器人等高技術領域具有廣泛的應用前景。磁懸浮軸承的種類很多，按照懸浮磁場的不同，可分為以下幾類：(1)按磁場力的來源分為永久磁鐵型、電磁鐵和永久磁鐵混合型以及純電磁鐵型；(2)按磁場力是否受控可以分為被動型和主動型；(3)按磁場力類型可以分為吸力型和斥力型。目前，常用的是主動磁懸浮軸承（AMB） ，利用轉子上的電磁線圈與轉子上的鐵磁材料之間的吸力實現(xiàn)支承。磁懸浮軸承的特點：第 1 章 緒論5這種新型轉子支撐件有如下突出優(yōu)點：(1)回轉速度高，磁懸浮軸承的轉速只受轉子鐵磁材料的限制，最大線速度可達200m/s；(2)無磨損，功耗低；(3)無需潤滑和密封系統(tǒng)，適用多種工作環(huán)境，而且對環(huán)境溫度不敏感；(4)具有自動平衡性，可使轉子系統(tǒng)自身的慣性軸回轉，從而消除了不平衡力，使機身的震動大大降低。磁懸浮軸承的主要缺點是：剛性較滾動軸承小，必須使用控制器；純電磁鐵型體積和重量均較大，應急情況下應變能力弱，因而大多數(shù)系統(tǒng)配備了輔助軸承，以致結構復雜。此外，其價格較貴，系統(tǒng)構成復雜，用戶缺乏有關磁懸浮軸承的基本知識，這在很大程度上阻礙了磁懸浮軸承的推廣和應用。但是，隨著我國科技的發(fā)展，制造技術的進步，技術工人整體素質的不斷提高，磁懸浮軸承必將在越來越多的領域發(fā)揮作用。1.3 磁懸浮軸承的基本原理 磁懸浮軸承從原理上可分為兩種，一種是主動磁懸浮軸承（active magnetic bearing） ，簡稱 AMB；另一種是被動磁懸浮軸承（passive magnetic bearing） ，簡稱PMB。由于前者具有較好的性能，它在工業(yè)上得到了越來越廣泛的應用。這里介紹的是主動磁懸浮軸承。磁懸浮軸承系統(tǒng)主要由被懸浮物體(以下稱為轉子(rotor))、傳感器、控制器和執(zhí)行器(actuator)四大部分組成。其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。下圖是一個簡單的磁懸浮軸承系統(tǒng)，電磁鐵繞組上的電流為 I，它對被懸浮物體產生的吸力和被懸浮物體本身的重力 mg 相平衡，被懸浮物體處于懸浮的平衡位置，這個位置也稱為參考位置。假設在參考位置上，被懸浮物體受到一個向下的擾動，它就會偏離其參考位置向下運動，此時傳感器檢測出被懸浮物體偏離其參考位置的位移，控制器將這一位移信號變換成控制信號，功率放大器使流過電磁繞組上的電流變大，因此，電磁鐵的吸力也變大了，從而驅動被懸浮物體返回到原來的平衡位置。如果被懸浮物體受到一個相上的擾動并向上運動，此時控制器和功率放大器使流過電磁場鐵繞組上的電流變小，因此，電磁鐵的吸力也變小了，被懸浮物體也能返回到原來的平衡位置。因此，不論被懸浮物體受到向上或向下的擾動，下圖 1-1 中的球狀被懸浮物體始終能處于穩(wěn)6定的平衡狀態(tài)。圖 1-1 磁懸浮軸承工作原理圖1.4 磁懸浮軸承的發(fā)展過程和未來的研究方向利用磁力將物體無接觸地懸浮于空間，并不是一個新概念，早在一百五十多年前，英國物理學家 Earnshow 就提出了磁懸浮的概念，他證明：單靠永久磁鐵是不能將一個鐵磁體在所有六個自由度上都保持自由穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。然而，真正意義上的磁懸浮研究是從 20 世紀初利用電磁相吸原理的磁懸浮車輛的研究開始的。1937 年，肯珀（Kenper）申請了一項有關主動磁懸浮支承的專利。他認為要使鐵磁體實現(xiàn)穩(wěn)定的磁懸浮，必須根據(jù)物體的懸浮狀態(tài)不斷地調節(jié)磁場力的大小，即采用可控電磁鐵才能實現(xiàn)，這一思想成為發(fā)展磁懸浮列車和磁懸浮軸承研究的主導思想。與此同時，美國 Virginia 大學的 Beams 和 Holmes 也對磁懸浮理論進行了研究，他們采用電磁懸浮技術懸浮小鋼球，并通過鋼球高速旋轉時能承受的離心力來測驗試驗材料的強度，這可能是世界上最早采用磁懸浮技術支撐旋轉體的應用實例。從此主動磁懸浮技術的發(fā)展進入了工程應用階段的研究，并逐漸形成了磁懸浮列車和磁懸浮軸承兩個主要的研究方向。在磁懸浮列車方面：到了 60 年代，英國、日本和德國根據(jù)不同的設計方案，分別制造出了磁懸浮列車的樣機。德國對主動磁懸浮技術的研究主要集中在電磁型（Electro Magnetic System ,簡稱 EMS 型，也稱吸力型、常導型）磁懸浮列車上。1977 年，德國航空公司研制成功的 KOMET 磁浮列車，在一段專門試驗的軌道上進行了運行試驗，時速高達 360 公里，這是磁懸浮列車發(fā)展的第一個里程碑。日本主要集中于電動型（Electro Dynamic System,簡稱 EDS 型，也稱斥力型、超導型）磁懸浮列車的研究與開發(fā)工作。日本國鐵公司 1972 年研制成功的 ML100 型是世界上第一臺 EDS 型磁浮列車；1979 年又研制成功 ML500 型，時速高達 517 公里，堪稱陸上交通工具的世第 1 章 緒論7界記錄。與此同時，磁懸浮技術在軸承領域的應用也取得了驚人的成績：上世紀四十年代，美國 Virginia 大學的 J . W. Beams 最早研制出離心機用混合磁懸浮軸承。1976 年，法國 SEP 公司與瑞典 SKF 軸承公司聯(lián)合投資成立了 S2M 公司，對超高速超精密加工機床用的磁浮軸承進行了系統(tǒng)的研究和開發(fā)。1977 年，該公司開發(fā)了世界第一臺高速機床的磁主軸。1981 年在 Hanover 歐洲國際機床展覽會上，首次推出了 B20／500 磁主軸系統(tǒng)，并在 3500r/min 速度下進行了鉆、銑現(xiàn)場表演，其高速、高精度、高效、低能耗的優(yōu)良性能引起了各國專家的極大關注。此后， S2M 公司在日本和美國相繼建立了一家分公司。近十幾年來，該公司已開發(fā)了 30 多個品種數(shù)百套磁浮軸承用于各類機床。1988 年，瑞士 IBAG 公司與瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學合作，開發(fā)了高速銑床用的磁浮軸承系統(tǒng)，并成立了專門研制、開發(fā)、制造磁浮軸承的企業(yè)—Mecos 公司。目前，S2M 和Mecos 已成為世界上著名的生產磁浮軸承的專業(yè)公司。此外，磁浮軸承在離心壓縮機、分子渦輪表 1-1 國外部分使用磁懸浮軸承的機床簡介公司名稱 機床類別最高轉速 r/min最大功率 kwS2M 鉆、銑、磨 60000 22.0S2M 磨 120000 3.5S2M 磨 180000 1.0IBAG 銑 40000 40.0精工公司 磨 40000 12.0泵、儲能飛輪、離心干燥機、汽輪發(fā)電機等大型設備也得到了越來越廣泛的應用。目前，德國的 GMN 滾動軸承公司、日本的精工精機、東洋軸承株式會社和光洋精工等廠家都在從事這種高技術產品的研究與開發(fā)。表 1 是國外部分使用磁浮軸承的機床。在航空領域，1997 年前后，美國德雷伯實驗室( Draper Laboratory)報道了一系列有關航空發(fā)動機用的高溫磁懸浮軸承的研究成果，他們成功地研制了能夠在 519°C高溫下工作的磁懸浮軸承系統(tǒng)，轉速為 22000(r／min)，軸承的 Dn 值高達4.5×106(r-mm／min)，研制的高溫磁懸浮軸承在單軸發(fā)動機的模型轉子上成功地進行8了試驗。美國另一家 Synchrony 公司的研究人員研制出了能在 570℃高溫下工作的磁懸浮軸承系統(tǒng)，采用了硬件冗余技術，大大提高了高溫磁懸浮軸承的安全性和可靠性。美國的 GE 公司和 NASA Lewis 研究中心在近幾年也成功地研制出了高溫磁懸浮軸承;美國普惠公司在 XTC—65 發(fā)動機的驗證機上采用了磁懸浮軸承，已通過了 100 小時的試驗，日本的 Ebara 公司研制的高溫磁懸浮軸承在 410℃下，連續(xù)、安全運行了 2500小時，這是迄今為止世界上連續(xù)工作時間最長的高溫磁懸浮軸承系統(tǒng)。面對美國的超前研究，并基于保持歐洲的空中優(yōu)勢和安全，經過緊急磋商后，1997 年 12 月，歐共體組成了一個由 5 個工業(yè)發(fā)達國家(英國、德國、法國、奧地利和瑞士)參加的聯(lián)合艦隊，制定了 3 年的 AMBI(Active Magnetic Bearings in Aircraft Turbo—machinery)研究計劃，該計劃從 1998 年 4 月正式啟動，具體的參加單位來自上述 5 個國家的 3 所大學、3 個發(fā)動機公司和 l 家磁懸浮軸承公司，該計劃的目的就是要和美國爭奪這個高技術領域的制高點，期望率先研制出用磁懸浮軸承支承的新一代航空發(fā)動機，搶占 21世紀的航空市場，保持歐洲的空中優(yōu)勢。國內在主動磁懸浮技術方面的研究起步較晚。民用方面首先是在 1986 年，廣州機床研究所與哈爾濱工業(yè)大學對“磁力軸承的開發(fā)及其在 FMS 中的應用”這一課題進行了研究。上世紀 80 年代末期才正式啟動磁浮列車的研究項目，研究工作主要由國防科技大學和西南交通大學等有關單位承擔。1996 年，我國第一臺 4 噸載人 EMS 型磁浮列車及其線路研制成功，懸浮高度為 8mm 在 43m 長導軌上。這標志著我國掌握了磁浮列車的關鍵技術。世界上第一條磁懸浮列車線路也已于本世紀初在我國上海市投入運營。與此同時，國內也有不少大專院校和單位在做主動磁懸浮軸承技術方面的應用研究，清華大學、西安交通大學、國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、南京航空航天大學、西安理工大學等多家單位。不過，目前我國的主動磁懸浮軸承還處于實驗室研究階段，將主動磁懸浮軸承技術真正用于工業(yè)實際，在國內可能尚無先例。目前，國際上對磁懸浮軸承的研究工作和學術氣氛相當活躍，1988 年，在瑞士蘇黎世召開了第一屆“國際磁懸浮軸承會議（International Symposium on Magnetic Bearings） ”,此后，該會議每兩年召開一次，每次會議都有大量關于磁懸浮軸承研究的論文發(fā)表，極大推動了磁懸浮軸承應用的研究。美國于 1991 年召開了“磁懸浮技術在航天中的應用（Aerospace Application of Magnetic Suspension Technology） ”的學術研討會，此后，也是每兩年召開一次。此外，美國、法國、瑞士、日本和我國第 1 章 緒論9都在大力支持開展磁懸浮軸承的研究和應用工作，國際上的這些努力大大推動了磁懸浮軸承在工業(yè)上的廣泛應用。今后，磁懸浮軸承的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面：混合磁懸浮軸承（Hybrid Magnetic Bearing ,簡稱 HMB）是永久磁鐵提供偏置力，以電磁鐵提供開展力的一種磁懸浮軸承，其電磁線圈不需要偏置電流，因而能明顯降低鐵心損耗和功率放大器的損耗，也有利于減小功放、電磁鐵的體積和重量，在航空航天領域，具有明顯的優(yōu)點；無傳感器磁懸浮軸承（Sensorless AMB） ，它不需要通常的磁懸浮軸承所必需的傳感器，因而能節(jié)省成本，減小體積、減少引線、提高系統(tǒng)的可靠性，也有利于縮短轉子、提高臨界轉速、提高靜態(tài)承載能力；隨著材料科學的發(fā)展，新材料的研制成功使磁懸浮軸承突破了一些限制，近年來，粉末制成的鐵磁材料，使渦流損失大大降低；稀土永磁材料也因結構輕巧，能耗低而極具有應用前途；超導磁懸浮軸承的研究也取得了進步，利用超導材料可以直接實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，而不必加主動控制，但現(xiàn)階段超導磁懸浮軸承還處于試驗階段，主要受兩個方面的制約：需要低溫環(huán)境和高剛度實現(xiàn)困難。可以預計，一旦超導材料的研究有了突破性進展，必將給磁懸浮技術帶來新的概念和巨大的突破。10第 2 章 磁懸浮系統(tǒng)介紹2.1 磁懸浮系統(tǒng)的基本結構磁懸浮控制系統(tǒng)主要由鐵心、線圈、傳感器、控制器、功率放大器及其控制對象剛體等元件組成。系統(tǒng)結構如圖 2-1 所示。圖 2-1 磁懸浮系統(tǒng)結構圖2.2 磁懸浮系統(tǒng)的工作原理磁懸浮系統(tǒng)是利用電磁力來控制剛體懸浮的空間位置。其工作原理是控制電磁鐵繞組的電流，產生與剛體重量等價的電磁力，使得剛體穩(wěn)定懸浮在平衡位置。由于電磁力與懸浮氣隙間存在非線性反比關系，這種平衡并不穩(wěn)定，一旦受到外界干擾（如電壓脈動或者風） ，剛體就會掉下來或被吸上去，因此必須實行閉環(huán)控制。采用位置傳感器在線獲取剛體位置信號，控制器對位移信號進行處理產生控制信號，功率放大器根據(jù)控制信號產生所需電流并送往電磁鐵，電磁鐵產生相應磁力克服重力使得剛體穩(wěn)定在平衡點附近。當剛體受到干擾向下運動時，剛體與電磁鐵的距離增大，傳感器所敏感的光強增大，其輸出電壓增大，經過功率放大器處理后，使得電磁鐵控制繞組的控制電流增大，電磁力增大，剛體被吸回平衡位置。反之亦然。2.3 磁懸浮系統(tǒng)的動力學模型2.3.1 剛體運動方程剛體受力情況如圖 2-2 所示，圖中 表示剛體所受得重力， 表示線圈通電mg(,)Fix時剛體所受的電磁力， 表示系統(tǒng)所受的干擾力， 表示剛體與參考平面的距離，()dft ()t?表示電磁鐵與參考平面的距離， 表示電磁鐵與剛體之間的距離，取向上為正。0()t?()xt第 2 章 磁懸浮系統(tǒng)介紹11電磁鐵f ( x , t )m gx ( t )參考平面?0t?圖 2-2 剛體受力示意圖根據(jù)牛頓第二定律，可得剛體的運動方程：(2-1)2d(),)()dxtmFimgft??2.4 電磁力模型電磁鐵與剛體構成磁路，磁路的磁阻主要集中在兩者間的氣隙上，其中有效氣隙磁阻可表示為(2-2)02()xRS??式中 為空氣的導磁率， ；S 為電磁鐵的極面積；x 為導軌與0?7041/Hm????磁極表面的瞬時間隙。由磁路的基爾霍夫定理可知(2-3)(,)NixR??式中 N 為電磁鐵線圈匝數(shù)，i 為電磁繞組中的瞬時電流， 為鐵心磁通。(,)ix將式（2-2 ）代入式（2-3 ） ，可得鐵心磁通為(2-4)0(,)2SNiix???當電磁鐵工作在非飽和狀態(tài)時，電磁鐵的磁鏈(2-5)20(,)(,)Siixix???12另外，電磁力可由與它磁場同能量的關系表示為(2-6)(,)(,)cWixFi??式中 為磁能能量，并且(,)cWix(2-7)0(,)(,)dtcixt???將式（2.5）代入式（2.7） ，再代入式（2.6） ，可得電磁力為(2-8)2020()4,)()SNiixFi x????令 ，則有204SNk??(2-9)2(,)(iFixk?由式子（2-9 ）可知，電磁吸引力 F 與氣隙 x 成非線性的反比關系，這正是磁懸浮系統(tǒng)不穩(wěn)定的根源。2.5 繞組回路的電學方程根據(jù)電磁感應定律，可知電磁鐵繞組回路的電壓 與電流 的關系為ui(2-10)d[(,)]uRiiLixtt????式中 為繞組中的瞬時電感，可表示為(,)Lix(2-11)(,)(,)NixLi??將式（2-4 ）代入式（2-11）可得(2-12)20(,)SLix??再將式（2-12）代入式（2-10） ，可得電學方程為第 2 章 磁懸浮系統(tǒng)介紹13(2-13)2200SNiiuRi xx????????由上可知，磁懸浮系統(tǒng)垂直運動的動力學方程由下列數(shù)學方程描述：2d(),)()dxtmFimgft??2200SNiuRiixx??????20(,)()4Fi?及邊界條件(2-14)2000(,)()SNimgixx?2.6 線性化模型分析將電磁力 在平衡點 附近進行泰勒展開，并忽略高階項得：(,)Fix0(,)ix0000(,)(,)i xFxiFi?????= 0(,)ixixk= (2-15)0(,)(()ixktt?式（2-15 ）中 表示在平衡點處（氣隙為 、電流為 ）剛體的電磁力；系數(shù)0(,)Fix00i表示電流變化單位量時電磁力變化的值， 表示氣隙變化單位長度時電磁力變化的ik xk值，由式（2-8）可得(2-16)20iSNix??(2-17)203xik?在電磁鐵繞組中，電壓 的變化 為u?0()()utt???=220000d()()d))NSiNSitxRi Rixtt t????????14=2200d()d()NSSiitxRitxt??????= (2-18)0L?式（2-18 ）中 表示平衡點的電感，0(2-19)20SNLx??(2-20)20xi由式（2-1 ） 、 （2-14 ） 、 （2-15 ）和式（2-18 ）可得(2-21)0()()ixdxmkftutRLi?????????取狀態(tài)變量為 ，則由式（2-21）可得磁懸浮系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程[,]xi??(2-22)00011()()1xi dxkutftmmiLRL???????????? ????????????????????(2-23)??1xyi?????????對應的系統(tǒng)框圖如圖 2-3 所示。()ut?01L??0xL0RLik1mxk??+-++x???()dft-?第 2 章 磁懸浮系統(tǒng)介紹15圖 2-3 線性系統(tǒng)的結構框圖對方程組（2-21）做拉氏變換，可得懸浮氣隙位置 和輸入電壓 之間的傳遞函x?u數(shù)(2-24)()xsu??032ixkmLRS??系統(tǒng)的特征方程為：(2-25)3200xkRSLm＝由勞斯判據(jù)知，系統(tǒng)的特征系數(shù)存在零和負值，所以這個系統(tǒng)是一個三階不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此需要設計一個反饋控制器，保證磁懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定。寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文）16第 3 章 磁懸浮主軸部分設計3.1 論文的主要工作磁懸浮軸承是機電一體化的產物，它的研究工作涉及到電磁理論、控制理論、機械設計、轉子動力學等多方面的知識。本文分六個方面對其進行了研究：第一章主要介紹了磁懸浮軸承在國內外的發(fā)展狀況，磁懸浮軸承的組成、特點、分類、工業(yè)應用領域及工作原理等，介紹了選題的主要目的，論文的主要工作；第二章主要介紹了徑向磁懸浮軸承的結構布置，并確定了所要設計的磁懸浮軸承的機械系統(tǒng)的一些結構參數(shù)；第三章以實際的磁懸浮軸承系統(tǒng)為研究對象，建立了單自由度磁懸浮軸承系統(tǒng)的動力學方程；設計條件：1、 徑向磁力軸承的支承力600N；2、 軸向磁力軸承的支承力800N；3.2 磁懸浮軸承機械系統(tǒng)的設計3.2.1 磁懸浮軸承的結構及材料由于磁力是控制電流和氣隙的非線性函數(shù)，即在一個自由度上采用一對電磁鐵，這樣可以使磁力在平衡位置處能轉化為控制電流和氣隙的線性函數(shù)。由于轉子不僅會沿 Y 軸上下運動，而且還會沿 X 軸水平運動，因此，在水平方向上也要設置一對差動電磁鐵，如圖 3-1 所示。該圖是一個實際的徑向磁懸浮軸承的結構，稱為 8 極布置的磁懸浮軸承結構。當轉子直徑較大時，常采用 16 極布置結構以減小外徑。電磁懸浮軸承材料應具有磁性好的特點（主要指磁感應強度曲線的曲線范圍大，包圍的面積?。?。常采用導磁性能優(yōu)良的軟磁材料，一般希望材料具有較高的飽和磁感應強度、較高的相對磁導率和良好的加工性能。這樣可以提高磁懸浮軸承的承載力并減小渦流損耗。當電磁懸浮軸承支撐高速回轉軸時，其轉子軸材料還應具有強度高的特點。電磁懸浮軸承定子的材料通常采用薄硅鋼片和鐵鈷合金等，轉子材料常采用電工純鐵、10 #鋼，也可硅鋼片疊合而成。為了減小渦流損耗，徑向磁懸浮軸承往往采用第 3 章 磁懸浮主軸部分設計17疊片結構。而推力磁懸浮軸承通常采用整體結構。圖 3-1 徑向磁懸浮軸承結構簡圖3.3 磁懸浮軸承系統(tǒng)的結構布置形式圖 3-1 是本文所研究的主動磁懸浮軸承的總體結構簡圖。為了進一步減少渦流損耗，在軸徑處，轉子也采用疊片結構，疊片材料為軟磁材料。推力盤采用鐵磁材料，在旋轉時，推力盤各部分都是同極性地進行勵磁，渦流損失小，沒有必要采用采用疊片結構，通常采用整體結構。由于磁懸浮軸承系統(tǒng)常用在高速或超高速場合，一般不要驅動環(huán)節(jié)，而采用裝入式電機，即將電機的轉子和軸承的轉子固定在同一個軸上。磁懸浮軸承系統(tǒng)還要配備一對滾動軸承作為輔助軸承。磁懸浮軸承工作時，輔助軸承不與轉子接觸。當突然斷電或磁懸浮軸承失控時，輔助軸承工作，臨時支承高速轉子，防止轉子與電機和磁懸浮軸承的轉子相碰，起安全保護作用。一般采用深溝球軸承，輔助軸承與轉子間的間隙通常為磁懸浮軸承氣隙的 1/2。3.4 電磁鐵的設計關于磁懸浮軸承，規(guī)定如下的符號：A---- 磁極的截面面積（m 2）D----- 轉子的內徑（ m）d------ 轉子的外徑（ m）δ0----- 氣隙，δ 0=（D-d）/2寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文）18b ----- -磁懸浮軸承的軸向長度（m）B0 -----氣隙處的磁感應強度 [ T（特斯拉）]BS----- 飽和磁感應強度(T)I ------- 繞組的勵磁電流(A) ，I=I 0+ i 。其中 I0 是偏磁電流，它是固定的常數(shù)； i 是控制電流；“+”或“-”號由控制器自動控制確定I0------ 偏磁電流N------- 單個磁極勵磁線圈的匝數(shù)圖 3-2 主動磁懸浮軸承的總體結構簡圖電磁鐵的設計涉及到有關磁路的計算。由于磁性材料的磁特性一般呈非線性特性，磁路的計算不是很精確。為了簡化計算，做如下假設：（1）鐵芯和氣隙處的磁場是均勻分布的（2）鐵磁材料不呈飽和特性（3）不考慮漏磁和磁滯的影響當氣隙 δ0 很小時，上述假設能夠很好的得到滿足。由麥克斯韋吸力公式可得單自由度磁懸浮軸承的承載力為 [5]：F=F1-F2=A（ B12-B22） /μ0 （3—1）當 B1=BS，B 2=0 時,最大承載力為 [5]：Fmax=ABs2/μ0 (3—2) 單位面積的最大承載力為Fmax/A= Bs2/μ0一般的硅鐵材料,建議取 Bs =1.5T, 對 8 極布置的徑向磁懸浮軸承,如第 3 章 磁懸浮主軸部分設計19=θ=π/8,A=πdb/16,由于磁力與 y 軸的夾角為 =π/8,因此徑向磁懸浮軸承在單位? ?軸承投影面積上的最大承載力為:(3—3)202max/316coscmNBdbFS???3.5 初始參數(shù)的選擇（1） 電磁懸浮軸承材料的選擇根據(jù)前面所述，電磁懸浮軸承的定子擬采用薄硅鋼片和鐵鈷合金等制成，轉子采用硅鋼片疊合而成。（2） 氣隙 δ0 的選擇電磁懸浮軸承的吸引力與電磁懸浮軸承的氣隙、磁感應強度以及有效磁面積有關。磁感應強度和有效磁面積確定后，吸引力與氣隙平方在沒有達到磁飽和的區(qū)域內成反比。如果選擇的軸承氣隙過大，則需要增加磁感應強度或有效磁面積，這樣會增大軸承結構尺寸和功放輸出電流；如果選擇的間隙過小，則又會對控制系統(tǒng)提出過高的要求。綜合以上因素，在設計中一般選取 δ0 為軸承直徑的 5‰左右。在本文中該值為已知值，其值為 δ0=0.3mm。（3） 轉子外徑的大小根據(jù) 2 的論述，綜合各方面情況，轉子外徑 d=60mm。（4） 轉子的質量該質量為已知，m=10kg。（5） 定子的內徑由于氣隙 δ0=（D-d）/2,而 δ0 和 d 已知，故 D=60.6mm.。（6） 電磁懸浮軸承磁極數(shù)電磁懸浮軸承的磁極數(shù)對其承載力、功耗和控制系統(tǒng)的設計都有影響。在實際設表 3-1 選取磁極數(shù)的經驗公式轉子外徑/mm0～60 60～80 80～200 200磁極數(shù) 8 16 24 32計過程中，主要考慮定子制造時使用的相應電機的定子制造工藝的情況，根據(jù)轉子的外徑 d 按表 2 選取。故根據(jù)此表，選擇為 8 極的結構。寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文）20（7） 磁懸浮軸承的軸向長度 b(mm)考慮各方面的情況，根據(jù)已知，設定 b=80mm。（8） 磁極的截面面積 A (mm2)考慮各方面的情況，根據(jù)已知， 設定 A=1600mm 2。（9） 偏磁電流 I0和線圈匝數(shù)已知 I 0=1.1A ，可計算出線圈匝數(shù)為 174 匝。（10）氣隙 δ0 處的磁感應強度 B0根據(jù)文獻[5]所述，在設計中一般取 B0=Bs/2。由于一般硅鐵材料的飽和磁感應強度Bs=1.5T，因此設計時常取 B0=0.6～0.8T。3.6 磁懸浮軸承動力學模型的建立3.6.1 單自由度轉子的數(shù)學模型為了研究問題的方便，本文首先討論單自由度轉子在主動磁懸浮軸承中的運動，并建立單自由度轉子的數(shù)學模型。單自由度磁懸浮系統(tǒng)的結構如圖 3-3 所示：圖 3-3 單自由度磁懸浮系統(tǒng)的結構圖忽略電磁鐵的磁阻及磁通邊緣效應，將轉子作為單質點總是集中質量來處理，當轉子軸心有偏移量 x 時，兩電磁鐵的吸力分別為 [2]：（3—4）201)(4xiINSF????（3—5）202)(iI?式中：μ 0----空氣導磁率S0----單個磁極面積第 3 章 磁懸浮主軸部分設計21I0 ----偏磁電流I -----由 x 引起的控制電流當轉子僅存在平移，而且無干擾力存在時，轉子的受力可如下表示： ??????????????????????202020214xiIxiINSF??????????????????????2020200 14??xIixIiIS（3—6）?????? ???????????????? 2020200 114 ???? xIixIiINS在（3—6）式中，由于 xmg，則轉子的運動方程 ，即mgx???（3—9）iKxm??對上式進行拉氏變換得（3—10）xisIXsG??2)(至此，已建立起單自由度轉子的數(shù)學模型。據(jù)此，可以將各個參數(shù)代入，計算出：ANIAKmNIAKix /987.43,/279502030 ??????將上述兩式代入式（3---7）中，可以得到：（3—11）2795104)(?sG此即實際磁懸浮軸承系統(tǒng)的動力學模型。3.7 徑向磁懸浮電主軸的系統(tǒng)設計１）徑向磁懸浮電主軸的總體形式可分為：周向結構和軸向結構．本文采用易于制造、精度較高的周向結構，同時在轉子外圈套上壓裝在一起的圓形沖孔薄硅鋼片，來減小磁滯損耗．２）根據(jù)徑向磁懸浮電主軸定子所處位置的不同，可分為兩種形式：一種是內轉子外定子，另一種是外轉子內定子形式．磁懸浮硬盤多采用后者，本文在磨床上的應用采用內轉子外定子的形式．３）磁極數(shù)的確定：為了降低磁極間的耦合效應，要求定子結構的上下、左右必須對稱，因此磁極數(shù)一般選為８的倍數(shù)．隨著磁極數(shù)的增加，磁力線在轉子和定子線圈中的分布會更加均勻，能更充分的利用轉子和定子的鐵磁材料，且磁勢的波形較好，附加損耗小，同時，磁極數(shù)目增多，線圈與定子鐵芯的接觸面積增大，也利于線圈散熱，減小溫升，但磁極數(shù)增加時，制造工藝更復雜，并且相鄰兩磁極之間的間距減小，磁極之間的耦合性增強，不利于控制．當然由于負載較大時，為了保證轉子在圓周各個方向受第 3 章 磁懸浮主軸部分設計23力均勻或其他具體情況，可選擇合理的磁極數(shù)［６ ７］ ，本文以８極為例．４）定子槽形狀的確定：定子的線圈槽型的形狀主要有圓形槽、梯形槽和矩形槽三種，本文選用沖片光滑，磁通密度分布均勻、槽滿率高的圓形槽（槽底弧面與定子內孔同圓心）為應用對象．24第 4 章 磁懸浮 AMBSAMBS(Active Magnetic Bearing System)是非常復雜的機械電力及磁力系統(tǒng)。軸通過軸承上的勵磁電流調節(jié)的電磁力達到控制其懸浮及旋轉，可實現(xiàn)無接觸式超高速旋轉，在當代測量、熱核、宇航、超低溫及其他現(xiàn)代技術應用的儀表制造業(yè)和機械制造業(yè)領域獲得了廣闊的發(fā)展和應用空間[1]。1. 轉子 2. 電磁鐵 3. 傳感器圖 4-1 磁懸浮轉子系統(tǒng)如圖 4-1 所示，一個 AMBS 由兩個徑向、一個軸向的磁力支撐(或者兩個軸向的磁力支撐)和控制線路組成，主要包括轉軸、磁力軸承(勵磁繞組、冗余繞組等)、轉軸位置偏差感應裝置(位置傳感器或無傳感器)、控制器及功率放大器、散熱裝置等。由于各對磁極與轉子的相互吸引和推斥作用使轉子處于相對平衡的位置。勵磁電流的驅動使轉子繞幾何軸心高速旋轉，同時控制器調節(jié)定子線圈中的高頻電流，改變作用于