可变磁路式永磁悬浮系统的动力学特性研究

介绍一种由伺服电机、盘状径向磁化永磁铁和导磁体组成的可变磁路式永磁悬浮系统。该系统中永磁铁提供悬浮力,伺服电机驱动盘状永磁铁旋转,改变通过悬浮物的磁通量,实现悬浮力的实时控制。该悬浮系统可以实现零吸引力,避免接触吸附问题,可以实现稳定状态下的零功率悬浮,达到节能减排的目的;可以任意改变磁极特性,实现在多自由度系统上的灵活应用。在综合考虑系统漏磁特性的条件下建立系统的参数化模型,分析系统的动力学和控制特性,然后进行系统的悬浮特性仿真研究,结果表明该系统在一定外扰下可实现稳定悬浮,并且具有较理想的时域和频域响应特性。     

并联型永磁悬浮系统悬浮特性的实验研究

并联型永磁悬浮系统由径向磁化盘状永磁铁、"F"形导磁铁轭及悬浮物组成,悬浮物为大小不同、材质相同的两个铁球,分别置于铁轭脚部正下方。基于dSPACE控制器实现铁球的稳定悬浮,在平衡位置处给予扰动,铁球在闭环控制系统作用下可达到新的稳定悬浮状态。     

可控磁路式并联型永磁悬浮系统

提出一种主要由伺服电机、径向磁化盘状永磁铁、"F"形导磁体及悬浮物构成的可控磁路式并联型永磁悬浮系统。系统中,并联悬浮物是置于导磁体正下方两个不同重量的铁球,伺服电机驱动盘状永磁铁旋转,改变通过悬浮物的有效磁通量,进而控制悬浮力大小,实现两铁球的稳定悬浮。根据系统结构及可控磁路式并联型永磁悬浮原理将系统模型简化,并建立系统的数学模型,分析使系统稳定悬浮的可能性,计算使系统稳定悬浮的PD控制器反馈增益范围。实验结果表明:在控制器参数满足计算范围条件下,当给系统一较小阶跃外扰时,在实时控制系统作用下,系统在很短的响应时间内可达到新的稳定悬浮状态;相同的外扰可导致左右球异向的位移响应结果,左球移动方向与外扰相同,而右球相反。     

永磁悬浮无尘传送系统的悬浮特性及解耦控制仿真分析

介绍了一种永磁悬浮无尘传送系统。该系统采用两对双列对称布置的非接触主动永磁悬浮支承。悬浮支承中,永磁铁提供磁性力,伺服电机驱动永磁铁转动,通过改变悬浮支承与悬浮导轨间的磁通量实现悬浮力的实时控制。通过消除冗余的悬浮支承控制点建立悬浮系统的动力学模型,应用LQR控制方法仿真分析未解耦系统的悬浮特性,证明该系统的耦合性及不易控制性。此外,采用状态反馈解耦控制策略对系统进行解耦控制仿真,结果表明该策略可以使系统解耦,并具有较高的稳定性和较快的响应特性。     

非接触式磁力驱动旋转机构的磁特性仿真分析

研制一种由永磁驱动轮、从动轮组成的非接触式磁力驱动旋转机构,它以磁力作为动力源,利用"磁悬浮技术"使得驱动轮和从动轮之间存在无任何接触的支撑,从而可以避免由摩擦带来的能量消耗和速度限制。利用有限元方法分析永磁驱动轮和从动轮之间的磁场特性以及其力学特性,有助于非接触式磁力驱动旋转机构的结构优化与稳定性提高。     

五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性分析

为探讨永磁悬浮轴承系统的稳定悬浮特性,从轴承刚度角度对五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性进行了分析。采用等效磁荷理论建立永磁轴承的承载力、承载力矩和刚度的数学表达式,并利用蒙特卡洛法对表达式中存在的四重积分进行求解。探究转子在受迫进动情况下以及受到外力矩干扰时继续保持稳定旋转所需要的最低临界转速。基于轴向永磁轴承与径向永磁轴承的结构,提出一种六磁环五自由度全永磁轴承系统结构模型,对全永磁轴承的转子系统承受轴向和径向外载荷的承载力、力矩和承载刚度进行分析,得出轴向可以承受外载荷而径向无法承受外载荷,即静态下轴向可以稳定悬浮、径向不能稳定悬浮,符合Earnshaw定理。利用刚性转子的陀螺惯性力矩来承受全永磁轴承系统的不平衡力矩和外力矩,从而保持转子定轴自稳定悬浮,并对系统稳定悬浮特性进行计算,结果表明转子在超过最低临界转速后是可以实现动态稳定悬浮的,具有一定的工程应用价值。     

磁悬浮永磁直线电动机及其控制系统研究

根据磁悬浮永磁直线电动机的特殊结构与运行机理,给出了电动机电磁推力和悬浮力的数学模型。建立了磁悬浮永磁直线电动机的有限元计算模型,对气隙磁密、电磁推力和悬浮力进行了有限元计算,并对气隙磁密作了谐波分析。设计了磁悬浮永磁直线电动机的研究样机,制作了磁悬浮子系统和进给伺服子系统,对系统进行实验研究,获得了磁悬浮子系统和进给子系统运行的实验结果。实验研究结果表明,该磁悬浮永磁直线电动机可实现直接驱动与无摩擦运行。     

小型无轴承永磁薄片电动机设计

针对小型无轴承永磁薄片电动机的设计要求，基于理论计算与有限元仿真设计定、转子，并以转矩和悬浮力为目标设计电动机转矩绕组与悬浮绕组，以转子旋转坐标系为基础设计转子悬浮力直接控制策略。建立仿真模型对转子起浮及电动机升速过程进行仿真，仿真分析表明电动机起浮响应速度快，运行稳定。并搭建试验台进行验证，试验结果表明转子静浮时振动不超过±5μm,转速达到2 000 r/min时振动不超过±40μm,实现了电动机的稳定悬浮及旋转。     

泵控式带钢纠偏伺服系统动态特性研究

常用的带钢纠偏系统为阀控缸电液伺服系统,存在维修成本高、系统发热量大、故障率高等问题。论文提出采用直驱式电液伺服系统代替带钢纠偏系统中的阀控式电液伺服系统,采用永磁式同步电动机代替电液伺服阀作为带钢纠偏控制系统的控制元件,设计出了永磁式同步电动机驱动定量泵直接控制液压缸的电液伺服控制系统,利用Matlab/Simulink仿真分析系统的稳定性和动态特性,结果表明,该系统满足带钢纠偏控制对稳定性、响应快速性的要求。     

V51伺服驱动器在电驱风机上的应用

新型矢量控制V51伺服驱动器用于永磁同步电动机驱动的风机转速控制。采用无感矢量控制,电动机不必安装旋转变压器等转子位置及转速传感器,可简化电动机结构、接线,调试简便。     

陀螺效应使永磁悬浮心脏泵稳定平衡

为使人工心脏泵可以永久使用，作者研制出一种仅采用永磁轴承实现磁悬浮的离心泵。其保留了电磁悬浮泵的优点，又避免其不足之处。然而，传统理论认为永磁悬浮是不可能稳定平衡的。作者利用陀螺效应解决了此问题。径向驱动的离心泵包括一个转子和一个定子。转子由驱动磁钢和叶轮组成；定子由电机线圈和泵壳构成。两个永磁轴承抵消电机线圈铁心与转子驱动磁钢之间的吸引力。 生理盐水试验表明，当血泵转速超过3250转／分、流量大于1升／分时，转子可以在定子中悬浮起来。高转速是达到陀螺效应的条件，大流量是良好水动力性能的前提。     

In situ calibration of rotating sensor coils for magnet testing

An in situ procedure for calibrating equivalent magnetic area and rotation radius of rotating coils is proposed for testing accelerator magnets shorter than the measuring coil. The procedure exploits measurements of magnetic field and mechanical displacement inside a reference quadrupole magnet. In a quadrupole field, an offset between the magnet and coil rotation axes gives rise to a dipole component in the field series expansion. The measurements of the focusing strength, the displacement, and the resulting dipole term allow the equivalent area and radius of the coil to be determined analytically. The procedure improves the accuracy of coils with large geometrical irregularities in the winding. This is essential for short magnets where the coil dimensions constrain the measurement accuracy. Experimental results on different coils measuring small-aperture permanent magnets are shown.     

新颖高频动圈式永磁直线电机的研究

针对常规动圈式永磁直线电机在电磁力、响应时间和响应速度等性能上的不足,从永磁体结构入手,对比单个永磁体不同的磁化技术和多个永磁体不同的阵列结构,提出了一种新颖八片瓦型有气隙Halbach磁化阵列动圈式永磁直线电机。对其静态磁场和瞬态磁场的分析以及实验结果表明,线圈与永磁体间的作用力能提高40%以上,仿真频宽接近350 Hz/-3 dB,响应时间为0.004 s。而实验频宽达到300 Hz/-3 dB,与仿真结果基本吻合,表明所设计的动圈式永磁直线电机具有高频和快速响应特性,能很好地满足高速电液比例控制系统的要求。     

大间隙磁力传动系统驱动规律的仿真研究

针对已提出的大间隙行波磁场驱动的磁力传动系统,采用现代计算技术和数值计算中的有限元理论,运用ANSYS软件的磁场分析功能,建立了磁力传动系统的实体模型和有限元模型,通过模拟永磁体的角位移和电磁体线圈的通电状态,对系统工作过程进行了仿真;研究了系统永磁体在转动过程中的受力情况和各参数对系统驱动能力的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明:通过增加线圈匝数、线圈通电电流、永磁体外径和永磁体磁化强度,减小电磁体和永磁体间耦合距离,将电磁体和永磁体的相对位置沿x方向两侧(左侧或右侧)置于5 mm～10 mm范围内等方法,可提高系统的驱动力矩。     

新型肠道胶囊式微型机器人的运动特性

提出一种胶囊微机器人的外旋转磁场驱动方法,原理是以径向磁化瓦状多磁极构成的圆筒形NdFeB永磁体为外驱动器,以胶囊微机器人内嵌同磁极结构NdFeB永磁体为内驱动器,通过外驱动器旋转产生旋转磁场的磁机耦合作用,形成内嵌驱动器对胶囊微机器人的驱动力矩,在胶囊表面螺旋与流体形成的动压力作用下,实现胶囊微机器人在肠道内旋进。首先介绍胶囊微机器人系统的结构,然后根据雷诺和Navier-Stokes方程建立管道环境内胶囊微机器人的运动数学模型,对其螺旋参数与速度的关系进行理论与试验研究,并发现了临界间隙现象。试验表明,该胶囊微机器人具有驱动力矩大、适合大粘度液体封闭管道内行走等特点,在人体肠道和血管内具有很好的应用前景。     

A polyvalent harmonic coil testing method for small-aperture magnets

A method to characterize permanent and fast-pulsed iron-dominated magnets with small apertures is presented. The harmonic coil measurement technique is enhanced specifically for small-aperture magnets by (1) in situ calibration, for facing search-coil production inaccuracy, (2) rotating the magnet around its axis, for correcting systematic effects, and (3) measuring magnetic fluxes by stationary coils at different angular positions for measuring fast pulsed magnets. This method allows a quadrupole magnet for particle accelerators to be characterized completely, by assessing multipole field components, magnetic axis position, and field direction. In this paper, initially the metrological problems arising from testing small-aperture magnets are highlighted. Then, the basic ideas of the proposed method and the architecture of the corresponding measurement system are illustrated. Finally, experimental validation results are shown for small-aperture permanent and fast-ramped quadrupole magnets for the new linear accelerator Linac4 at CERN (European Organization for Nuclear Research).     

一种基于光纤光栅的非接触式转速测量方法

提出了一种基于光纤光栅的非接触式转速测量方法。将永磁体与磁性材料之间距离-磁力的关系应用于转速传感中从而实现了非接触式转速测量,使用光纤光栅作为传感器件克服了电子类和光学类转速传感器抗电磁干扰能力差、对测量环境要求高的缺点。实验证明该方法是可行的。     

全永磁驱动带式输送机控制策略及动力学行为

针对传统异步电机驱动和液压绞车张紧带式输送机存在的传动效率低、运行维护困难、张紧响应慢等问题,设计了一种集永磁电机直驱与永磁张紧于一体的全永磁驱动带式输送机,制定了全永磁驱动系统矢量控制策略与机-电耦合动力学模型;利用Matlab/Simulink建模仿真与煤矿井下现场试验相结合的方法,研究了全永磁驱动带式输送机在空载启动、满载启动、变载运行等工况下的矢量控制策略与机-电耦合动力学行为。结果表明：全永磁驱动带式输送机在多种工况下均能实现转矩与转速的快速响应和动态调节,具有良好的动态特性;多台电机间可维持功率平衡与同步传动,具有较强的抗干扰能力;永磁张紧装置可以实现张紧力动态调节,有利于提高带式输送机驱动效率、张紧响应速度以及整机协调可控性;全永磁驱动系统可实现对带式输送机的智能驱动与动态张紧,在机-电耦合动力学行为仿真试验与现场试验中得到的电机动态特性规律基本一致,表明其可满足煤矿井下带式输送机实际工况需求,具有较高的推广应用价值。