星载静电加速度计的支承技术研究

以高精度重力测量为目标，研究基于静电悬浮的卫星重力探测技术。首先给出了静电加速度计的硬件电路，包括高精度位移测量电路、数字化控制电路以及静电力发生器。然后在分析了静电支承特性的基础上，将其工作状态分为起支和支承两种状态，并设计了相应的数字控制器，保证系统可靠悬浮。仿真和实验结果表明，转子支承中心的重复性优于0．01μm，支承电压的重复性优于0．5‰，48h稳定性优于2‰，满足星载静电加速度计的需求。     

球面间隙大范围测量的建模与线性化研究

有源静电悬浮轴承通过检测电极与转子间构成的球面间隙电容以得到转子位移。在转子起支时，要能实现球面间隙的大范围线性测量，本文重点推导了球面电容与球面间隙的非线性关系，提出了采用软件非线性校正的方法实现球面间隙大规范测量的线性化，使转子位移的线性测量范围可以达到标称间隙的66％，满足了静电轴承起支过程的要求。     

磁轴承用电涡流位移传感器串扰产生及抑制方法研究

针对磁悬浮控制力矩陀螺(CMG)对位移传感器的特殊性能指标要求,设计了一种五自由度电涡流位移传感器系统,将径向探头和测量电路进行了集成一体化设计,对探头之间串扰产生的原因进行了理论分析,并提出在原有振荡电路上增加调整电容,通过调节调整电容值提高探头之间串扰频率使其无法通过后续滤波的方法抑制串扰,提高了转子的位移检测精度。实验结果表明,实现了转子在0～30000r/min范围内的稳定悬浮,悬浮精度小于20μm,满足了磁悬浮CMG电磁轴承对转子位移高精度检测的需求。     

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。     

磁悬浮轴承横向磁通传感器设计与分析

横向磁通传感器因结构紧凑和高检测精度在磁悬浮轴承系统中具有广阔的应用前景。 随磁悬浮轴承技术的发展,对横 向磁通传感器的检测性能提出了更高要求。 为进一步提升横向磁通传感器的性能,满足磁悬浮转子高精度位移监测需求,本文 针对灵敏度指标对传感器进行设计与分析。 通过建立传感器的数学模型和电磁场有限元分析,研究了激励频率和线圈参数之 间的关系。 对传感器线圈匝数与灵敏度的相关性进行了数值研究,从检测转子的角度分析了趋肤效应对传感器灵敏度的影响。 设计了传感器信号处理电路实现由位移信号到电压信号的转换,并搭建实验平台对传感器的输出特性进行测量。 实验结果表 明,当灵敏度为 20 mV/ μm、检测范围为±500 μm 时,传感器的线性度为 0. 69% ,且具有良好的动态特性,适用于磁悬浮轴承系 统的转子高精度径向位置检测。     

基于LabVIEW的磁悬浮轴承的静态刚度测量系统

磁悬浮轴承主要利用电磁力使转子悬浮于定子中,其刚度特性是磁悬浮轴承的重要技术指标,因此磁悬浮轴承的刚度测量是检验磁悬浮轴承性能的必要环节。文中建立了适用于混合控制的磁悬浮轴承在开环控制下的静态刚度测量系统。该系统利用LabVIEW软件开发测量平台,由X-Y-Z电控精密位移台、六自由度力传感器、激光位移传感器及高分辨率电流表等设备组成,并由工控机统一控制各测量单元,实现自动测量、自动采集与数据存储等功能,具有自动化程度高的优点。     

磁轴承用新型自感位移传感器设计与实验研究

随着磁轴承在航空航天、军事及民用工业领域的广泛应用,提高其位移传感器的可靠性成为发展重点。而传统磁轴承用电感式位移传感器的结构复杂、测量电路元器件过多,降低了磁轴承系统的可靠性。针对高转速和小转子磁轴承,设计了一种新型自感式位移传感器,分析了自感式位移传感器的工作原理,提出了优化的传感器结构,设计了对应的测量电路,并对传感器的性能进行了分析与测试。实验结果表明,在-0.5~0.5 mm测量范围内,传感器的线性度为±1.25%,灵敏度为25.94 mV·μm,迟滞为±0.28%,重复性为±0.22%,传感器的动态响应带宽为4.7 kHz,悬浮精度为2.4μm。该传感器完全适用于磁轴承系统,同时传感器结构简单易实现,测量电路得到大大简化,满足航空航天、军事及民用工业领域高可靠性的要求。     

磁悬浮轴承的转子位移同步悬浮控制研究

提出一种对磁悬浮轴承进行转子位移同步悬浮控制的策略,建立了位移同步悬浮控制系统的控制模型,基于状态重构机理实现转子位移同步,按状态空间法设计状态同步矩阵和系统闭环状态反馈矩阵,并对所设计系统进行了仿真分析。     

气浮式转子静平衡测量技术研究

为了提高立式转子的静平衡精度 ,研制了气悬浮测量装置 ,其核心部分是一个将转子稳定悬浮的气体静压球面轴承。通过测量转子的微小偏移来计算其静不平衡量。理论研究表明 :转子的静不平衡量与转子的偏移成正比 ;位移比例系数越大 ,测量精度越高。所研制的测量装置剩余不平衡度可小于 0 .8g·mm/kg ,不平衡量减少率大于 90 %。     

两种球形转子平衡装置干扰力矩的比较

检测球形转子质心偏移量的基本原理是通过测量转子在悬浮状态下由摆性力矩造成的摆动周期而确定的 ,因此悬浮装置的干扰力矩必须足够地小。比较了半碗六电极静电悬吊式和中心小孔供气球冠支承式两种平衡装置的干扰力矩 ,其中包括守恒力矩和非守恒力矩。通过仿真计算并结合实际应用条件 ,得出了气浮支承适用于转子粗平衡 ,静电悬吊可以用于高精度平衡的结论     

无传感器磁轴承转子位置检测与研究

主要研究一种无传感器磁轴承转子位置自检测的方法,该方法不需要专用的位移传感器。由于线圈的电感是转子位移的函数,故其两端的电压也为转子位移的函数。在磁轴承系统的线性功率放大器的输入端注入一高频信号作为转子位置的测试信号,将线圈端电压经过谐振电路来提取含有位置信号的高频电压信号,再将电压信号进行精密半波整流后得到脉动的直流信号,最后通过低通滤波器得到平滑的转子位移直流信号,由PID控制器转换为转子位移的控制信号。仿真试验证明了该方法的可行性。     

磁悬浮飞轮锁紧保护效果的检测

综合考虑磁悬浮飞轮系统及其现有锁紧机构的各项性能,提出了一套检验飞轮锁紧机构保护效果的方法。以可重复抱式锁紧机构为例,从飞轮系统性能、宏观振动响应和微观损伤三方面对锁紧机构的保护效果进行了评测。通过对比分析磁悬浮飞轮和锁紧机构在环境力学试验前后的性能测试数据,判断两者性能是否正常。环境力学试验中,利用加速度力学传感器和电涡流位移传感器分别检测飞轮系统频谱响应和飞轮定、转子间的相对振动位移,评价锁紧机构的宏观保护效果。力学试验后,采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)分析锁紧面内的磨损形貌和元素成分,对锁紧机构的微观保护效果进行评价。该检测方法对同类航天产品的检测具有很好的借鉴意义。     

基于显式有限元的转子不平衡与轴承故障耦合分析

为分析转子不平衡与轴承故障耦合振动特征及产生机理,在对转子不平衡与轴承故障耦合状态下受力分析的基础上,基于虚位移原理的增广拉格朗日法建立轴承运动控制方程,运用LS-DYNA建立转子-轴承系统二维显式动力学有限元模型,分析了故障耦合状态下轴承振动加速度、转子轴心运动轨迹,探明了转子不平衡-轴承缺陷耦合故障冲击响应特征及转子轴心运动轨迹突变机理,并通过试验进行了验证。结果表明:转子不平衡与轴承外圈故障耦合状态下,轴承座测点位置故障特征频率被转频调制,冲击幅值随转频变化;转子轴心轨迹呈椭圆形,且缺陷位于轴承承载区时,转子轴心轨迹存在突变。     

磁悬浮轴承系统的模型辨识与控制

对某磁悬浮轴承系统进行了理论建模,并进行了试验.由于建模时忽略了功率放大器和位移传感器的影响,磁悬浮轴承系统理论模型与其实际特性有较大差异,磁悬浮轴承系统是一个三阶模型,而非理论模型的二阶模型,基于理论模型设计的控制器难以获得较好的控制性能,建模时需考虑功率放大器和位移传感器的影响.为优化控制性能,采用频域辨识法对实际...     

横向磁通径向位移传感器研究

横向磁通传感器是一种对转子径向位移进行测量的新型传感器。与传统的涡流或电感式传感器相比,其凭借独特的探头设计,具有高性价比、高精度、高灵敏度、结构紧凑等优点。通过理论分析,研究了影响该传感器灵敏度的若干因素。建立有限元模型,通过仿真明确了传感器探头设计的要点,总结了设计规律。设计并优化实验电路,搭建实验平台完成了对传感器的性能测试,结果表明该传感器具有良好的灵敏度、线性度和极低的X-Y耦合度。将此传感器成功应用于某主动式磁轴承转子的位移检测,实现了稳定悬浮,并且转速达到了12 000 r/min。     

Dynamic characteristics of spindle with water-lubricated hydrostatic bearings for ultra-precision machine tools

A key component of ultra-precision machine tools is the spindle. The motivation for this study was to improve machining accuracies in precision cutting and grinding by pursuing improvements in the spindle characteristics by designing a sophisticated spindle with water-lubricated hydrostatic bearings. The static bearing stiffness of the developed spindle was investigated in previous studies. In addition to the static bearing stiffness, the dynamic characteristics regarding bearing stiffness also affect significantly on the machining results. In this study, dynamic characteristics of the developed spindle with water-lubricated hydrostatic bearings were investigated via simulations and experiments. Not only bearing dynamics but also rotor dynamics were considered in this study.In the simulation studies, the spindle dynamic characteristics were analysed based on the transfer matrix method. A spindle rotor supported with hydrostatic bearings was represented by discrete sections of the rotor. The mathematical model of transverse linear vibrations of the spindle rotor was derived with distributed parameters for these discretized rotor sections. As a result of the analysis on the amplitude-frequency characteristic, radial displacements of the rotor due to bearing displacement and bending deformation were defined. Then, the frequency characteristics were represented with Nyquist plots. Resonant frequencies and amplitudes formation in the transverse vibration of the rotor were determined. The influence of rotor bending deformations on spindle compliance was assessed. Furthermore, the study examined the influences of the supply pressure of the lubricating fluid, radial clearance and journal diameter of the hydrostatic bearings on the amplitude of the rotor vibration, and the resonance frequency of the system.Furthermore, the dynamic characteristics of the spindle were examined experimentally. The simulation results were in good agreement with the actual spindle dynamics obtained experimentally. The influence of the structural parameters of the rotor and the operating parameters of the bearings on the spindle dynamic characteristics was also determined. It was verified that the amplitude of the vibration of the rotor overhang part was dominantly affected not by bearing stiffness but by bending stiffness of the bearing journal of the front bearing and the length of the rotor overhang.Then it was verified that the resultant displacement of the rotor in the radial direction due to the influence of the bearing characteristics and the structural effect of the rotor is significantly small. Practical recommendations to improve the spindle design in terms of the dynamic characteristics of the spindle with water-lubricated hydrostatic bearings were also derived.     

基于磁悬浮轴承高速电主轴的法向磨削力检测方法

利用磁悬浮轴承高速电主轴作为检测器件解决高速磨削法向磨削力实时在线测量困难的问题。通过对磁悬浮轴承高速电主轴转子的动力学分析,得到法向磨削力与电主轴转子位移的两阶导数和转子受到的电磁力的关系。转子的位移数据可由磁悬浮轴承电主轴中的位移传感器的输出得到。为了精确求取电磁力,气隙磁通密度采用图解法求出,消除线性化引入的系统误差;气隙宽度由遍历搜索法标定,消除系统加工装配误差对电磁力测量带来的影响;引入修正系数对由漏磁、磁滞和边缘效应带来的测量误差进行补偿,修正系数由三层神经网络动态实时求出。通过静态和动态试验对电磁力和动态磨削力的检测结果进行验证,试验结果证明基于磁悬浮轴承高速电主轴的法向磨削力检测方法的有效性和准确性。     

轴承载荷对转子系统各支承的耦合振动分析

以多支承转子 轴承 弹性基础系统为研究对象,对多支承转子系统某支承处轴承载荷变化引起不同支承点处轴及轴承的耦合振动响应进行了研究。首先,建立了多支承转子系统支承间的耦合振动模型,并进行了仿真和试验,耦合振动模型考虑了每个支承处的油膜耦合效应,通过轴承载荷敏感度矩阵得到各支承耦合力;然后,利用龙格库塔法对油膜刚度为定刚度和动刚度两种情况下的转子系统进行了数值分析及仿真;最后,在8支承转子试验台上进行试验,采取改变某一支承处的位移来得到轴承载荷的变化,并提取各支承处的振动信号。结果表明,轴承位置在稳态和瞬态两种情况下改变时振动响应明显不同,油膜刚度为动刚度的分析结果更为合理。     

新型永磁偏置轴向磁轴承的磁力特性

研究一种集成转子径向扭转与轴向平动控制功能的新型永磁偏置轴向磁轴承的磁力特性,以解决磁轴承系统的轴向尺寸和精度之间的矛盾。采用等效磁路法进行磁轴承的磁路建模,在建立磁极气隙表达式的基础上采用积分型方法进行磁阻计算以提高计算精度,并根据磁路模型给出磁轴承磁力的积分型计算公式,得到轴向磁轴承闭环系统的磁力特性曲线。对某飞轮用磁轴承系统的分析表明:磁轴承磁力与磁极气隙和控制电流间具有良好的线性关系,且各控制通道近似解耦,与典型磁轴承结构相比,利于磁轴承系统控制精度的提高和轴向尺寸的减小,适用于磁悬浮飞轮系统。