新型同位阻尼磁轴承模型及其特性研究

针对以往磁轴承转子系统的振动抑制能力不足的问题,对新型同位电磁阻尼和单自由度磁轴承转子系统进行了研究,提出了一种同位电磁阻尼并应用到抑制磁悬浮转子的振动中。基于以往阻尼力模型重新推导了同位阻尼力数学模型,考虑了线圈电流变化对阻尼力模型的影响,并利用磁矢位计算使阻尼力模型更加精准,分析了同位阻尼力在转子上的分布情况及与电流和位移的关系。将同位阻尼与单自由度磁轴承相结合,建立了新型同位阻尼磁轴承模型,利用该磁轴承模型对同位阻尼抑制转子振动能力进行了分析。仿真结果表明,新型磁轴承模型中的同位阻尼能够将转子最大振动位移偏差从无阻尼时的1.65×10-5m减小到2×10-6m,明显地减小了转子系统的位移偏差,能够达到增强磁轴承转子系统抑制振动能力的目的。     

永磁偏置混合磁轴承刚度与阻尼特性研究

本文主要分析了高速电机永磁偏置混合磁轴承的结构和工作原理,根据混合磁轴承的磁路特性,推导了磁场吸力与位移和电流之间的关系,并结合控制器参数得出了磁轴承刚度与阻尼计算式,最后通过实例仿真了刚度阻尼特性的特性曲线,为高速转子的动力学分析提供了理论支持。     

主被动磁悬浮高速转子系统的自动平衡控制

针对主被动磁悬浮转子高速旋转时质量不平衡和被动磁轴承磁中心的偏移导致的同频振动力问题,提出了一种基于位移陷波加前馈补偿的自动平衡控制方法。首先,在转子为零位移控制状态下提取控制电流的同频成分,计算获得与被动磁轴承磁中心偏移相关的参变量;然后,在额定转速下设计通用陷波器以消除同频电流,前馈补偿主动磁轴承、被动磁轴承位移负刚度力和被动磁轴承磁中心偏移力,使主被动磁轴承的同频输出力为零,实现了转子绕惯性中心旋转。对提出的方法进行了仿真和实验验证并与仅补偿质量不平衡的算法进行了对比。仿真结果显示:提出的方法的同频磁轴承力减小到了只进行质量不平衡补偿算法的6%;实验结果显示:同频振动加速度减小到只进行质量不平衡补偿算法的23.3%。仿真和实验验证了该方法的有效性,表明该方法对同频振动抑制效果显著,实现了转子的自动平衡控制。     

推力磁轴承的力学特性及其对径向磁轴承的影响

讨论了计入推力盘静态倾斜影响后的推力磁轴承的力学特性,导出了其静、动特性的系数公式,并结合某涡轮膨胀机的推力磁轴承进行了实例计算。结果表明,推力盘的静态倾斜对推力磁轴承的力学特性产生显著影响,并改变径向磁轴承的静负荷分配,使得推力磁轴承与径向磁轴承之间产生强烈的耦合作用。该结果可用于5自由度磁悬浮轴承－转子系统的机电耦合动力学研究。     

一种新型磁悬浮飞轮用永磁偏置径向磁轴承

针对现有径向磁轴承结构电励磁磁路耦合严重的缺点,分析了一种新型磁悬浮飞轮用永磁偏置径向磁轴承结构及其工作原理。采用等效磁路法对磁轴承的永磁磁路和电励磁磁路进行计算,得出了磁轴承的数学模型,给出了磁轴承主要参数的设计方法。最后通过有限元法对该磁轴承进行仿真分析,从磁场分布以及X方向通电流时对力Fy的影响两方面验证该结构电励磁回路在X、Y方向间的解耦性,其中Fy小于3%Fx。理论研究和仿真分析表明：这种径向磁轴承结构有效的避免了磁通在两个径向自由度间的耦合,从而能够扩大系统线性工作范围和稳定裕度最终提高磁轴承系统的控制性能。     

基于电流反馈的MSCMG轴向磁轴承低功耗控制

为了进一步降低MSCMG永磁偏置轴向磁轴承的悬浮功耗,在建立其数学模型的基础上,针对传统定气隙控制在承受负载时线圈电流增大的问题,提出了基于电流积分正反馈的轴向磁轴承变气隙控制方法。该方法利用永磁偏置混合磁轴承的位移负刚度提供悬浮力,通过电流反馈改变转子悬浮参考位置来减小磁轴承线圈电流。仿真分析和试验结果表明,该方法具有良好的稳定性,与定气隙控制方法相比,磁轴承静浮时的铜耗降低了90%以上。     

三相径向混合磁轴承的结构设计与磁路分析

提出了一种由永磁体产生偏置磁通，通电三相线圈产生控制磁通，使磁轴承稳定工作的三相径向混合磁轴承，对其结构进行了详细说明，对磁悬浮力产生机理进行了分析，并提出了一种电流跟踪型控制方案，最后利用ANSYS对该磁轴承永磁磁路及工作磁路进行了有限元仿真分析。     

磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承的变工作点线性化自适应控制方法

为提高磁悬浮控制力矩陀螺框架高速时的磁悬浮转子系统稳定性,研究磁轴承的电磁力-线圈电流/转子位移非线性的线性化及其控制方法.分析框架转动时的磁轴承工作点变化规律,提出磁轴承力-电流/位移特性基于框架转速的变工作点大范围线性化方法,根据线性化得到的线性变参数模型设计增益调节与前馈控制相结合的控制律,按照框架转速的大小对磁轴承位移刚度的变化进行自适应补偿,在磁悬浮转子稳定前提下使框架转速由6.25(°)/S提高到9.5(°)/S.该方法能有效补偿框架运动时的磁轴承力非线性,大幅提高框架转速较高时的磁悬浮转子系统稳定性.     

基于最优控制的转子不平衡补偿的研究

磁悬浮转子高速运行过程中,不平衡振动是影响其运行动态品质的主要原因,由于振幅过大、功放饱和等问题,导致系统无法继续提升转速.文中介绍了永磁偏置磁轴承的工作原理和数学模型,在零电流原则基础上,研究了一种基于最优控制的高速磁悬浮转子不平衡振动补偿的方法.仿真结果表明,该方法在转子高速运转时有效地减小了磁轴承功放的控制电流和转子的振动,提高了系统的可靠性和稳定性,为进一步提高磁悬浮转子转速创造了条件.     

大型分体式磁轴承电动机系统定子模态分析

准确分析定子固有模态对低振动噪声电机系统优化设计和控制有十分重要的意义。针对大型分体式磁轴承电动机系统,采用有限元仿真方法分析轴向磁轴承定子绕组、径向磁轴承定子叠片结构、机座螺栓连接以及底座附加质量对大型分体式磁轴承电动机系统定子模态的影响。结果表明:轴向轴承定子绕组对定子固有频率影响较大,宜采用质量计入铁心的方式处理;径向轴承定子叠片结构对定子固有频率的影响较小,可按各向同性处理;机座螺栓连接刚度对机座固有频率有一定影响,但当连接刚度远大于机座刚度时,影响较小;底座附加质量对整机模态频率有一定的影响,但对不同振型的固有频率的影响效果相差较大。计算了整机的模态频率,并与振动试验结果进行了对比验证。     

转子系统径向电涡流阻尼器

基于电涡流原理提出了一种新型的转子系统径向电涡流阻尼器，分析了这种阻尼器的结构和动力模型，并在不同磁场强度条件下测量、研究了径向电涡流阻尼器所支撑的柔性转子系统在非旋转状态下的传递函数、在恒定转速下的运动轨道,以及在慢加速运行过程中的不平衡响应。结果表明：这种新型的径向电涡流阻尼器不仅具有结构简单、无需工作介质、无机械接触等特点，而且还可以对其动力特性进行控制，能够显著地减小转子系统的振动。     

径向电涡流阻尼器对柔性转子系统振动的控制

为了抑制转子系统的振动和研发高性能的转子系统振动主动控制执行元件,基于电涡流原理提出了一种新型的转子系统径向电涡流阻尼器,在一个带有双盘的柔性转子系统上详细地测量了不同磁场强度条件下径向电涡流阻尼器支撑的转子系统在非旋转状态下的传递函数、在恒定转速下的运动轨道以及在慢加速运行过程中的不平衡响应曲线,并进行了利用径向电涡流阻尼器对转子系统的振动进行分段和比例控制的有效性试验。结果表明了这种新型的径向电涡流阻尼器不仅具有结构简单、无需流体介质、无机械接触等特点,而且其动力特性还容易控制,在设计合理的条件下能够显著地减小转子系统的振动,是一种被动和主动兼备具有良好发展和应用前景的转子系统阻尼结构。     

时变磁场下径向电涡流阻尼器的动力特性

为了研究时变磁场和导体运动的组合效应对非旋转型径向电涡流阻尼器动力特性的影响,在一个径向电涡流阻尼器柔性转子系统上测量不同正弦激励磁场强度和频率条件下转子系统在恒速运行时的运动轨道以及在慢加速运动过程中的不平衡响应。结果说明正弦激励磁场的频率对径向电涡流阻尼器的动力特性有着显著的影响。随着正弦激励磁场频率的增大,径向电涡流阻尼器的减振能力迅速减小。对于给定的正弦激励磁场强度,存在着一个能够影响阻尼器特性的最大正弦激励磁场频率;而对于给定的正弦激励磁场频率,存在着一个能够影响阻尼器特性的最低正弦激励磁场强度。只要正弦激励磁场的频率小于最大正弦激励磁场频率或者正弦激励磁场的强度大于最低正弦激励磁场强度,径向电涡流阻尼器的特性同样可以用正弦激励磁场来控制,否则正弦激励磁场对径向电涡流阻尼器的特性几乎没有影响。按照转子动力学的观点,非时变磁场控制的径向电涡流阻尼器的动力特性优于时变磁场控制时的动力特性。     

Development of eddy current microscopy for high resolution electrical conductivity imaging using atomic force microscopy

We present a high resolution electrical conductivity imaging technique based on the principles of eddy current and atomic force microscopy (AFM). An electromagnetic coil is used to generate eddy currents in an electrically conducting material. The eddy currents generated in the conducting sample are detected and measured with a magnetic tip attached to a flexible cantilever of an AFM. The eddy current generation and its interaction with the magnetic tip cantilever are theoretically modeled using monopole approximation. The model is used to estimate the eddy current force between the magnetic tip and the electrically conducting sample. The theoretical model is also used to choose a magnetic tip-cantilever system with appropriate magnetic field and spring constant to facilitate the design of a high resolution electrical conductivity imaging system. The force between the tip and the sample due to eddy currents is measured as a function of the separation distance and compared to the model in a single crystal copper. Images of electrical conductivity variations in a polycrystalline dual phase titanium alloy (Ti-6Al-4V) sample are obtained by scanning the magnetic tip-cantilever held at a standoff distance from the sample surface. The contrast in the image is explained based on the electrical conductivity and eddy current force between the magnetic tip and the sample. The spatial resolution of the eddy current imaging system is determined by imaging carbon nanofibers in a polymer matrix. The advantages, limitations, and applications of the technique are discussed.     

可控阻尼磁流体滑动轴承的设计及减振性能研究

设计一种具有可控阻尼效应的铁磁流体轴承。该新型磁流体轴承采用阻尼可控磁流体代替传统普通滑动轴承内外环间隙中的润滑油,可通过外磁场调节内磁流体的黏度阻尼,来控制轴承的振动。建立由伺服电机、涡流传感器和数据采集系统组成的磁流体轴承性能测试系统,研究不同转速和电流下轴承的振动情况。结果表明:在外磁场作用下,磁流体轴承的振动幅度明显减小;同时施加的电流越大,对振幅的抑制作用越明显,表明磁流体滑动轴承的减振效果明显,且其阻尼是可控的。     

Identification of dynamic stiffness and damping in active magnetic bearings using transfer functions of electrical control system

The dynamic rotor behavior is significantly affected by the stiffness and damping characteristics of the bearings. Therefore, it is important to identify these bearing parameters. For active magnetic bearings (AMBs), these bearing parameters not only could be identified from rotor dynamic response, but also from electrical control system transfer function. Some identification works from rotor dynamic response have been reported, but identification from electrical control system transfer function is relatively few. In this paper, we deduced the equivalent stiffness and damping expressions with electrical control system transfer function for rotor AMBs and identified these values from electrical control system model. To evaluate the identified results, previous reported results from rotor dynamic response is employed for comparison. We found that for the stiffness, a complete and precise electrical control model will obtain relatively consistent values; however, for the damping, the accurate electrical control model is still not enough and the eddy current loss should be included.

     

转子磁通量超标对振动的干扰影响研究

针对某炼油项目中蜡油加氢汽轮机在单机试车过程中驱动端轴振动超标、停机检查时发现静态电跳量过大等问题,对该机组单机试运行时的振动频谱图和轴心轨迹图进行了判断分析,并采用大头针吸附方式对该转子进行了磁性检查,确认转子被磁化。然后通过磁感效应理论分析,进一步对电涡流传感器的工作原理、磁通量对电涡流传感器的信号干扰以及电涡流传感器与被测金属体有无磁性的关系等进行了分析研究,并建立了实验模型,模拟实验和结合实际工程应用进行论证。研究结果表明,当汽轮机转子磁通量超过API Std 612低于3高斯的标准要求时,磁通量会对该点的径向振动产生较大的信号干扰影响,采取消磁滚压再消磁的对策措施,可解决这个难题,并对类似问题具有参考意义。     

[车辆工程与测控]基于增强磁场涡流的高速轨道缺陷检测方法

在高速轨道运输领域中,电涡流检测以其非接触、易实现自动化等特点,被广泛应用于钢轨表面缺陷的检测,然而,由于趋肤效应的存在,涡流检测很难探测出内部伤损。提出了一种增强磁场涡流以抑制趋肤效应的方法：在涡流检测线圈之上增加一个通入直流电流的U形电磁铁,用磁轭导磁到钢轨以增强磁轭下的磁场。通过ANSYS软件进行有限元仿真,分析了增强磁场后涡流渗透深度的改变,同时仿真研究了磁轭的提离和间距对检测效果的影响。搭建了高速轨道检测的实验平台,进行了增强磁场涡流实验,结果表明,适当地增大背景磁场能够使涡流检测到深层次的缺陷并可以提高检测信号的信噪比。     

超高转速条件下主轴轴承内部油膜阻尼研究

在受力分析的基础上,利用弹性流体动力学润滑理论和多种网格法,计算超高转速条件下主轴轴承内部球滚动体与内、外滚道之间的润滑油膜厚度,以及轴承内部的润滑油膜阻尼。结果表明,超高转速条件下,转速增加,轴承内部弹流润滑油膜阻尼减小,这不利于减小转子系统的动态响应;径向预载荷增加,轴承内部弹流润滑油膜阻尼增加,有利于减小转子系统的动态响应。超高转速条件下,运行速度和径向预载荷对轴承内部润滑油膜阻尼的影响较大,在研究超高速电主轴轴承-转子系统动力学和动态响应时,应充分考虑油膜阻尼的影响。     

磁流变减振器磁场特性分析及试验研究

设计了磁流变减振器磁芯磁路,建立了磁路的仿真模型,仿真研究了磁路的磁场特性,用实验的方法对仿真模型进行了验证和修正;在此基础上,建立了整个磁流变减振器的仿真模型,仿真研究了其磁场分布规律及不同参数下阻尼孔附近的磁通密度.研究结果表明,磁芯直径、工作缸壁厚、阻尼通道长度和线圈电流是影响磁场特性的主要因素,合理选择磁路结构参数可使其性能得到最大发挥.设计并制造出一种车辆单筒充气式磁流变减振器,对其进行了台架试验,得到不同电流下的减振器示功特性图,研究发现,通过调节减振器励磁线圈中的电流获得不同强度的磁场,在磁场作用下,磁流变液粘度发生变化,从而改变减振器的阻尼特性,减振器的饱和工作电流约为2A.试验验证了磁路设计的正确性,并为实现车辆磁流变半主动空气悬架控制研究奠定了基础.