（电力电子与电力传动专业论文）大功率电机磁浮轴承系统及其应用研究.pdf

第页西南交通大学博士学位论文浮轴承支承的大功率、高转速电机系统的性能特点和关键技术，为大功率电机磁浮轴承的工业应用奠定了理论和技术基础。样机实现了电机转子6 个自由度的稳定控制，运行情况良好，验证了系统设计和解决方案的有效性与合理性。关键词：主动磁浮轴承非线性p i d 控制器差动控制陀螺效应西南交通大学博士学位论文第1 i i 页a b s t r a c tt h em a g n e t i cb e a r i n g ，at y p i c a le l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c er e l a t e dt or o t o rd y n a m i c s ，m e c h a n i c s ，c o n t r o le n g i n e e r i n g , e l e c t r o m a g n e t i c s ，e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rs c i e n c e ，i san o v e lt y p e ，h i g hp e r f o r m a n c eb e a r i n g ，w h i c hs u s p e n d st h er o t o rb yc o n t r o l l e dm a g n e t i cf o r c ew i t h o u ta n ym e c h a n i c a lc o n t a c tb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o r i th a sb e e nn o t i c e dw i d e l ya n dr e s e a r c h e di nt h ef i e l d so fs c i e n c ea n di n d u s t r ys i n c e1 9 6 0 s ，f o ri t sa d v a n t a g e ss u c ha sc o n t a c t f r e e ，n ol u b r i c a t i o n ，n ow e a r , l o wn o i s e ，h i g hr o t a t i o ns p e e da n dl o n g - l i f e ，e t c i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l e ，s t r u c t u r e ，r e s e a r c hs t a t u s ，d i f f i c u l t i e sa n dt r e n di ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n so fa c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m 8 ) a r ei n t r o d u c e df i r s t t h ea m bs y s t e mf o rh i g hp o w e rm o t o ri ss t u d i e do nt h eb a c k g r o u n do fh e l i u mc i r c u l a t o ri ng a s c o o l e dr e a c t o ra n df l y - w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m s e c o n d l y , as e to fi m p r o v e da m bf o r1 5 k wm o t o r ，s a f e t yo p e r a t i o ns c h e m ea l ed e s i g n e d a n dm o n i t o rs y s t e mf o rr e m o t em e a s u r e ，a d j u s ta n dc o n t r o lo ft h ep a r a m e t e r s an o v e ls t r u c t u r eo f a m bi sp r o p o s e dt oe l i m i n a t ec o u p l i n gb c t w e a lm a g n e t sw i t hn o n - m a g n e t i cm a t e r i a lr e d u c er e l u c t a n c ea n dp o w e rc o n s u m p t i o na n di n c r e a s ee f f i c i e n c y t h ee f f e c to fe d d yc u r r e n to na m b sp e r f o r m a n c ei sc a l c u l a t e d a c c o r d i n g l y , as t r u c t u r eo fa x i a lm a g n e t i cf l u xi sp r o p o s e dt or e d u c ee f f e c to f e d d yc u r r e n ti ns o l i dr o t o r 1 h i r d l y , s e v e r a lt y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa m bs u c ha st h ed i f f e r e n t i a lc o n t r 0 1 t l l em e a s u r em o d eo fs e n s o r , t h et r e a t m e n to fd i f f e r e n c eb e t w e e ns e n s o ra n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea c t i o np o i n t ，t h ee f f e c to fa x i a lt r u s tp l a t e ss l o p eo nr a d i a lb e a r i n g , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fp o w e ra m p l i f i e r , t h ei n f l u e n c eo fg y r o s c o p ee f f e c ta n di m b a l a n c em a g n e t i cf o r c eo fm o t o ro nb e a r i n gs y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d a c c o r d i n gt om a t h e m a t i c a lm o d e lo fa m ba n dt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fs u s p e n s i o ns y s t e m ，an o n l i n e a rp i dc o n t r o la r i t h m e t i cw i t ha c r o s sf e e d b a c kc o m p e n s a t i o nf o rg y r o s c o p ee f f e c ta n dm a s so f f s e tc o m p e n s a t i o nb a s e do nn o t c hf i l t e ri sa d o p t e dt oi n c r e a s ec o n t r o lp r e c i s i o n f i n a l l y , al o to fs i m u l a t i o nd a t aa n de x p e r i m e n tr e s u l t sa n a l y s e so ff o u rt y p i c a ls i t u a t i o n sf o rt h et e s tm o t o rw i t ha m bh a v eb e e nm a d e ，a n dm a n yc o n c l u s i o n s 曲o u ta p p l i c a t i o na r eo b t a i n e d 第页西南交通大学博士学位论文w i t hd e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s e sa n de x p e r i m e n t s ，t h ep e r f o r m a n c e ，k e yt e c h n o l o g ya n di n d u s t r ya p p l i c a t i o no fh i g hp o w e r , h i g hr o t a t i o ns p e e dm o t o rs y s t e ms u p p o r t e db ya m ba l ed i s c u s s e di nt h et h e s i s t h es i x f r e e d o m - d e g r e es t a b i l i t yc o n t r o lo fr o t o ri sr e a l i z e di ne x p e r i m e n t a lm o t o r i ts h o w st h ea v a i l a b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo fs y s t e md e s i g na n ds o l u t i o n s k e y w o r d s ：a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ( a m b )n o n l i n e a rp i dc o n t r o l l e rd i f f e r e n t i a lc o n t r o lg y r o s c o p ee f f e c t西南交通大学四南父逋大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 保密口，在年解密后适用于本授权书；2 不保密日，适用本授权书。( 请在以上方框内打“”)指导教师签名：磊啊嚏2 l ，t ，一，一日期：加矽年- 3 月 日西南交通大学曲南父逋大罕学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在论文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：1 ) 第3 章首次提出并应用了一种新型的径向轴承结构，与目前普遍采用的8 磁极和多磁极径向磁浮轴承结构相比，在不影响磁浮轴承功能的同时，利用非磁性材料消除各磁铁之间的磁场耦合，降低了轴承的磁阻和功耗，提高了效率。该方案己获国内实用新型专利，专利号为：z l 2 0 0 5 2 0 0 3 3 7 6 4 7 。在此基础上，进一步提出轴向磁通的径向轴承结构，明显减小实心转子旋转时涡流对轴承性能的影响。2 1 研制成功目前国内最大功率( 1 5 k w ) 电机的有源磁浮轴承系统，转子轴重量达7 8 5 堙，规模远大于国内目前研制的小型磁浮轴承系统( 电机功率 2 k w ，转子重量 6 k g ) ，并实现了转子6 个自由度的稳定控制，运行情况良好。为大功率电机、大尺寸重型转子的磁浮轴承系统研究奠定了基础。3 ) 第2 4 节国内首次进行轴承系统安全性设计。除了必要的轴向和径向机械保护轴承之外，论文中还对功放主电路、操作控制和供电系统的安全运行提出了几种主要的保护措施，提高系统的安全性和可靠性。4 ) 针对电磁悬浮系统的非线性和固有不稳定性，论文第5 章中提出采用非线性补偿的p i d 控制方法来实现轴承一转子系统的稳定悬浮。并用陷波器和交叉反馈控制来消除转子质量偏心和陀螺效应的影响，提高系统的控制精度。学位论文作者签名：_ 幻影厨日期：洳) 年；月厂日，西南交通大学博士学位论文第l 页1 1 引言第1 章绪论磁浮轴承技术是国际上6 0 年代中期开始研究的一项新的支承技术。它是利用电磁力使转轴稳定悬浮起来的一种新型轴承，是集转子动力学、机械学、力学、控制工程、电磁学、电子学和计算机科学于一体的最具代表性的机电一体化产品。它具有无接触、无摩擦磨损、转速高、无需润滑和寿命长等优点，是一般轴承所无法比拟的 i - 2 6 1 。由于其独特的性能而受到国内外专家学者和诸多企业界人士的关注。人类对磁浮轴承研究的成功，标志着对传统支承技术的革命。磁浮轴承目前在国外已经开始进入工业应用阶段。在国内，有关研究在不断升温后离工业应用仍有较大的差距【l 。5 1 。从应用角度看，在大功率电机、高速旋转和相关高精度的应用场合磁浮轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流。1 2 磁浮轴承概述一个刚性转子在空间上为6 自由度系统，包括直角坐标系中沿3 个坐标轴方向的平移自由度，以及绕3 个坐标轴的旋转自由度。一个刚性磁浮转子除了绕转轴旋转的1 个自由度由电机控制外，其余1 个轴向自由度、两个径向自由度以及两个旋转自由度，都必须由磁浮轴承系统来控制其稳定性。按照磁力的提供方式，磁浮轴承可分为三大类【卜5 j ：( 1 ) 主动磁浮轴承口c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称a m b ) ，轴承磁场是可控的，通过传感器检测转轴的位置，由控制系统对电磁铁电流进行主动控制来实现转轴的稳定悬浮。( 2 ) 被动磁浮轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称p m b ) ，轴承部分自由度由超导磁体或永磁体来实现被动悬浮支承。( 3 ) 混合磁浮轴承( h y b r i d m a g n e t i c b e a r i n g ，简称h m b ) ，轴承的机械结构中既包含了可控的电磁铁，又包含了提供偏置磁场的超导磁体或永磁体。与主动磁浮轴承相比，被动磁浮轴承具有系统设计简单，并在无控制环节的情况下即可稳定，但是它不能产生阻尼。因此，系统的稳定域是很小的，外界干扰的小变化也可能会使它趋于不稳定，本论文主要讨论电磁吸力型主第2 页西南交通大学博士学位论文动控制磁浮轴承。1 2 1 系统组成及原理磁浮轴承是一个复杂的机电耦合系统，它由机械系统和控制系统两个子系统组成。若要求转子能稳定地悬浮在规定的位置上，就需对它的五个自由度进行控制，这就要求有两个径向轴承和一个轴向轴承，构成一个完整的磁浮轴承系统，每一个轴承由以下几部分构成【l 。川：( 1 ) 机械系统：系统由轴、轴承的定转子、电机的定、转子和机座组成，如图1 1 所示。径向轴承采用周向n s 错列排布磁极，目的是减小各自由度磁路间的相互耦合。径向轴承电磁铁( 定子) 采用导磁性能优良的硅钢片制做，转轴上与定子对应位置也套以硅钢片转子。轴向推力轴承以及推力盘部分采用电工纯铁制做，轴承电磁铁及转子材料除了要有良好的磁性能外，还应满足一定的机械性能。电机可采用感应电机等。径向轴承线圈电机轴向轴承推力盘图1 1磁浮轴承的结构示意图( 2 ) 控制系统：指控制转子位置的电气系统，简单的控制系统由传感器、控制器和功率放大器组成，如图1 2 所示。系统正常工作时，转子处于设定的两个磁铁之间中心位置，两个磁铁线圈中的电流相等。若转子受到外加干扰而偏离中心位置，位置传感器检测转子的轴偏差信号，将该信号送入控制器，通过功率放大器控制电磁铁中的电流，一个电磁铁电流增大，另一个电磁铁电流减小，从而产生电磁力的变化使转子回复到规定的位置。位置传感器是磁浮轴承系统的重要组成部分，用于检测转子的偏移情西南交通大学博士学位论文第3 页况，其要求是：a ) 非接触式；b ) 能够抑制噪声、磁场干扰，信噪比高；c ) 线性范围大，灵敏度高；d ) 稳定性好，温漂、时漂小。可采用电涡流或电感式位置传感器。控制器是整个磁浮轴承的核心，其性能决定了磁浮轴承的好坏。它的作用是对传感器检测到的位置偏差信号进行适度的运算，使得转子有高精度的定位，而且在外力的干扰作用下，能通过迅速而恰当的电流变化使转子回到基准位置。参图1 2径向轴承单自由度控制原理示意图功率放大器( 常用斩波器) 的作用是向电磁铁提供产生电磁力所需的电流，应按照电流大小设计不同类型的功率放大器。( 3 ) 监控系统：磁浮轴承处于一个封闭的环境中，在系统工作过程中，需要实时地对系统各物理量进行测试，实现测试数据的可视化，让用户“直觉”信号的实际变化：在线调节系统工作参数，便于系统维护，以及在不同工况时的参数优化；而且在出现故障时，系统能及时报警。在某些特殊应用场合，还需要远距离对整个系统进行启停、调速等操控。1 2 2 国内外研究概况利用磁力使物体处于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 证明：单靠永久磁体是不能将一个铁磁体在所有6 个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的( 甜。然而，真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究开始的。1 9 3 7 年，德国工程师k e m p e r 申请了第一个磁悬浮技术专利，他认为要第4 页西南交通大学博士学位论文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，即采用可控电磁铁才能实现，这一思想成为这之后开展磁悬浮列车和磁浮轴承研究的主导思想。同一时期，美国v i r g i n i a 大学的b e a m s 和h o l m e s 也对磁悬浮理论进行了研究，他们采用电磁悬浮技术悬浮小球，并通过钢球高速旋转时能承受的离心力来测定试验材料的强度，这可能是世界上最早采用磁悬浮技术支承旋转体的应用实例。磁浮轴承作为一种新的支承形式，其优良的性能和广阔的应用前景引起了众多学者和工程技术人员的浓厚兴趣。随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展，本世纪6 0 年代中期对磁浮技术的研究跃上了一个新台阶。英国、日本、德国都相继开展了对磁浮列车的研究。磁浮轴承的研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。据有关资料记载【6 】：1 9 6 9 年，法国军部科研实验室( l r b ) 开始对磁浮轴承的研究；1 9 7 2 年，将第一个磁浮轴承用于卫星导向轮的支撑上，从而揭开了磁浮轴承发展的序幕。此后，磁浮轴承很快被应用到国防、航天等各个领域。美国在1 9 8 3 年1 1 月搭载子航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了磁浮轴承真空泵；1 9 7 6 年法国s e p 公司和瑞典s g y 公司联合成立了s 2 m 公司，专门开发工业应用的磁浮轴承。1 9 8 3 年s 2 m 公司在第五届欧洲机床展览会上展示了磁浮轴承电主轴部件。1 9 8 4 年，s 2 m 公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本磁浮轴承公司，在日本主产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等，同年日本东洋公司也推出了高速磁浮轴承铣削头，并将磁浮轴承列为8 0 年代新的加工技术之一。磁浮轴承的发展与研究越来越受到国内外工程界和学术界的广泛关注。从1 9 8 8 年至今相继召开了多届国际磁浮轴承会议，从已发表的文献资料可以看出，其研究内容涉及到电磁学、电子学、控制理论、机械学、转子动力学、材料学和计算机科学等学科。目前较为活跃并处于领先地位的主要有瑞士联邦工学院( e t h ) 、美国m a r y l a n d 大学和v i r g i n i a 大学、日本东京大学和英国s u s s e x 大学等研究机构，以及法国s 2 m 瑞士i b a g 、英国g i a c i e r 、美国a v c o n 、m t i 、s a t c o n 等生产厂家。经过3 0 多年的发展，磁浮轴承在国外的应用场合进一步扩大。国外不仅将磁浮轴承应用于航天部门、核工业部门，而且已迅速应用到军事部门和基础工业部门的数百种不同的旋转或往复运动机械上，如卫星惯性飞轮、能量储存飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎透平泵、高速磨床、高速铣床、高速车床、高速电动机、离心机、透平压缩机和真空泵等。所达到的技术指标范围为6 】：西南交通大学博士学位论文第5 页转速o 8 1 0 r m i n ：直径1 4 6 0 0m m ：单个轴承承载力：( o 3 5 ) 1 0 4 n ,使用温度范围：2 5 3 4 5 0 ；刚度：1 0 5 1 0 8 n m 。这说明国外已将磁浮轴承作为比较成熟的工业产品推向了用户市场。国内对磁浮轴承的研究始于2 0 世纪7 0 年代，清华大学工程物理系研究了磁悬浮高频电主轴，转子质量2 2 1 k g ，最高转速5 2 5 3 0 r m i n 。西安交通大学研究了磁浮高频电主轴，转子质量0 8 5 k g ，转速8 0 0 0 0 r m i n 。并研究了飞轮用磁浮轴承和涡轮膨胀机用磁浮轴承。上海大学研究了小型磁悬浮制氧透平膨胀机，空气流量1 5 0 m 3 h ，转子质量1 1 6 堙，最高转速9 2 0 0 0 r m i n 。以自主开发等方式在磁浮轴承方面做过研究工作的单位还有哈尔滨工业大学、浙江大学、国防科技大学、天津大学、南京航空航天大学、西安理工大学等。由于种种原因，目前我国的磁浮轴承仍处于实验室研究阶段，而且在轴承刚度和承载能力方面距离大规模应用还有一定差距，在工业应用方面基本上是空白，有关磁浮轴承设计方面的技术指标和标准还没有制定。为了使得这一科学技术为生产建设服务，必须将磁浮轴承这项高新技术迅速转化为生产力。这是我国的科技人员所面临的一个新的课题。1 2 3 仍需解决的问题从应用角度看，磁浮轴承的潜力尚未得到充分发掘。就发展状况而言，它本身也远未达到替代其他轴承的水平。原因除造价昂贵及设计理论尚不成熟外，还在于磁材料的性能及磁浮轴承系统的控制方面尚有许多课题亟待研究和解决。不论是在理论上还是在产品化的过程中，该项技术都存在很多的难题，主要表现在控制系统、动力学和系统设计等方面。1 2 3 1 控制系统存在的难题1 7 9 l目前，高速磁浮轴承的控制方面还有很多的理论问题没有解决。高功率、高密度和高速工作的磁浮轴承的针对性研究尚不多见。这是因为：( 1 ) 硬件( 如电磁材料、绝缘、功放、加工精度等) 方面的局限性限制了高指标的要求。( 2 ) 磁浮轴承的控制特性在本质上是强烈非线性和分布参数的。所谓强烈非线性是指磁浮力正比于电流的平方、反比于偏移量的平方，反比于电感、磁滞。分布参数的是指磁场的分布性和转子质量的分布性。在电磁结构设计上要求具有高功率密度的情况下，使系统的非线性特性更加突出。第6 页西南交通大学博士学位论文( 3 ) 转子的高速旋转使转轴产生陀螺效应，原来可分别控制的各通道产生了耦合，导致系统成为参数时变系统，同时在高速情况下，转子质心的不平衡也构成随转速变化的振动干扰。1 2 3 _ 2 满足转子轴系动力特性引发的难题【9 1磁浮轴承作为一项对传统轴承实现革命性变革的新的支撑技术，当其应用于工作转速为每分钟数万转至数十万转的高速场合时，其独特的优越性才能充分地显示出来。在这样高速的条件下工作，大多数转子轴均无法被视为刚性转子轴，而只能是柔性转子轴。转子轴在运行时，大多要跨越数阶乃至近十阶临界转速，这一根本性变化使得磁浮轴承和转子轴的设计和实现与简单刚性转子轴系统有着原则的区别，引发了以下一系列难题：( 1 ) 用经典控制理论指导多质点柔性转子的稳定悬浮极为困难。( 2 ) 多质点柔性转子系统中，自由度数目随质点数目成倍地增长，质点之间、径向支撑与转子之间、转子轴向与横向振动之间的耦合不可避免，而减小耦合程度是解决振动问题所必需的。( 3 ) 转子轴系统提供的刚度和阻尼是完全建立在控制单元的深度负反馈的基础上的，而且其阻尼系统的大小强烈地依赖于工作频率，这种依赖性决定了当系统控制单元参数一经整定并保持不变时、系统出现0 阻尼甚至负阻尼的情形在所难免。1 2 3 3 磁浮轴承优化设计引发的难题磁浮轴承是一个复杂的机电磁一体化产品，设计问题涉及的技术领域很多，内容也非常多。主要有：以轴承几何与电气参数为主的系统控制器的参数设计、以转子结构和轴承动特性系数为主的动力学性能设计以及特定条件下的陀螺效应解耦设计。除此之外，还包括必要的机械原理设计、磁路与电磁场设计、电子电路和控制系统的设计，一般情况下难以兼顾各个方面的性能优化。为了解决以上难题，国内外的科技人员多方面地探讨。针对控制系统，有的研究人员提出了解决办法，例如具有强鲁棒性的滑模控制、模糊控制和神经网络控制等，但还仅处于研究阶段。对于解决由满足转子轴系动力特性引发的难题，还需要转子动力学理论的进一步完善。对于磁浮轴承的优化设计，需要经过大量的实验研究和相关理论方面的完善。1 2 4 磁浮轴承的发展趋势由于磁浮轴承具备许多突出优点，受到了学术界、工业界的普遍关注。西南交通大学博士学位论文第7 页目前在涡轮机械行业获得了较为广泛的应用，在机械加工行业也有部分应用。磁浮轴承的发展主要集中在以下几个方面：( 1 ) 超导磁浮轴承：随着近年来高温超导材料和抗磁材料的突破性进展，超导磁浮轴承引起了科研人员的关注。中科院电工所对此进行了研究，并研制成功高温超导、永磁体和电磁铁混和悬浮轴承系统，转速达9 6 0 0 r r a i n 4 。( 2 ) 高温磁浮轴承：研究能在5 5 0 - - , 6 0 0 温度下工作的轴承。以航空发动机为应用对象，解决材料、工艺、可靠性、高温传感器等问题。美国和欧洲部分机构正在开展相关工作。( 3 ) 无轴承( b e a r i n g l e s s ) 电机：由于磁浮轴承结构和交流电机定子结构的相似性，在电机定子中附加磁浮轴承线圈来实现对转子的悬浮。无轴承电机将电动机和磁浮轴承集成在一起，结构紧凑，可以缩短电机尺寸、降低系统成本，近年来已经成为一个研究热点【3 们。( 4 ) 磁浮飞轮储能：飞轮储能是一种新型的储能技术，飞轮转子由磁浮轴承支承。它将外界输送过来的电能、机械动能、制动能，或者风能、太阳能等自然能转化成飞轮的旋转动能储存起来；当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载；当飞轮空闲运转时，整个装置以最小损耗运行。国内对磁浮轴承的研究分散在个别单项研究上，研究模型主要针对简单转子系统，因此距投入实用还有一段距离，因此，磁浮轴承的研究，尤其向工业产品应用转化，仍需在以下几方面进行完善： 9 , 1 4 1( 1 ) 在系统建模时，更多地考虑了整个系统各状态问的耦合效应，包括轴向与径向、径向与径向之间的耦合以及陀螺效应等。( 2 ) 考虑非线性影响。用非线性理论研究磁浮轴承系统，结合数字控制手段使系统参数和性能进一步优化、提高。( 3 ) 基于全局的优化设计，除了要让磁浮轴承自身以及转子系统满足相应的机械要求外，还应从系统的角度考虑磁浮轴承的稳定性、可靠性和经济性。( 4 ) 采用数字控制。采用基于现代控制理论的各种控制算法，如滑模控制、神经网络控制、非线性模糊控制、自适应控制等，使得磁浮轴承更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向发展。1 3 论文的主要工作及内容安排1 3 1 论文选题背景第8 页西南交通大学博士学位论文小型磁浮轴承主要用在卫星惯性飞轮、姿态控制飞轮、高速机床、真空分子泵等设备上，且已有成熟的产品，如日本大阪真空泵公司的t g m 和t h m 系列分子泵产品，图1 - 3 为t g 3 8 0 m 涡轮分子泵( t m p ) # f 形。但磁浮轴承的主要缺点是初装费高，引入磁浮轴承将显著增加设备费用，对于小型设备来说，这种增加的费用往往比设备本身还要高得多，经济性较差。因此，应用磁浮轴承首先应考虑的是高投资额的大功率旋转机械。在国外，大功率电机的磁浮轴承多采用在核反应堆气冷循环风机、飞轮储能、离心压缩机、汽轮机和水轮机等装置中。如英国3 5 0 m w 的核反应堆中的气冷循环主风机6 m w ，转速6 0 0 0 r m i n ，轴向负荷4 0 0 k g ，径向负荷2 5 f ，辅机1 5 0 k w , 转速4 0 0 0 r m i n ，轴向负荷2 5 0 k g ，径向负荷3 0 0 七g 。美国磁浮轴承公司( m b i ) 从1 9 8 5 年开始在大型电机上使用磁浮轴承，1 9 9 1 年应用于管道压缩机，转子重5 4 0 0 l b s ，转速5 5 0 0 r m i n 。1 9 9 3 年应用于气体循环风机，转子重2 3 0 0 0 l b s ，转速8 9 0 r m i n 。日本j m b 公司、法国和瑞典的合资髓m 公司应用于空气和氮气分离机械，电机功率3 0 0 , - - 6 4 0 k w , 转速达3 8 0 0 0 r z r a i n 。欧洲u r e n c o 公司开发的模块化电力飞轮储能系统，图1 4 为l c 2 5 0 飞轮储能模块，外形尺寸为j 6 m x l 6 m x o 9 m ，每个模块放电功率为2 5 0 k w ，持续时间2 0 s ，转速3 0 0 0 0 3 7 8 0 0 r m i n ，根据系统所需功率要求，模块可并联使用，该储能系统已在里昂地铁系统中使用。图1 3t g 3 8 0 m 分子泵图1 4l c 2 5 0 飞轮储能模块1 9 8 6 年，国家科委将建立高温核反应堆列入“8 6 3 ”重大项目，后经国务西南交通大学博士学位论文第9 页院批准，决定在北京南口建立i o m w 高温核反应堆试验基地。反应堆热功率1 0 m w ，发电功率3 m w ，电机推力为约2 厶转速5 0 0 0 r r a i n ，是试验性小容量反应堆。国外实用的反应堆已达到3 0 0 m w ，电机推力达2 5 t 左右，转速在6 0 0 0r m i n 以上。这种新型核反应堆，最大的特点是用氦气循环代替水循环，且具有效率高、安全性能好等优点。在反应堆中，氦气温度高达9 5 0 度，由一台功率为2 0 0 k w 、转速为5 0 0 0 r m i n 以上的调频调压电动机作为循环风机的动力。该电动机要求密封在反应堆的压力壳内，至少两年不维修。由于压力壳内温度和电机转速都很高，电机的支撑采用油润滑轴承十分困难，很难避免润滑油进入系统而造成污染；而且润滑油在高温下要挥发变质，其防漏问题也不好解决，故采用油轴承是很不理想的方案。而磁浮轴承无机械接触，不需润滑，耐高温，在这种特殊工况下是最理想的选择。所以，美国、法国等发达国家均主要采用磁浮轴承。但是，这些国家对这一技术非常保密，可以订货制造，但不提供技术转让。对于大功率核反应堆，磁浮轴承将是唯一选择，油润滑机械轴承存在磨损问题，需要经常维修或更换，难以适应反应堆的工作环境，这是国内外专家的一致看法。另一方面，电力、铁路、地铁等供电系统对用户的电能供应必须时刻处于平衡状态下，用户需要多少电能，电厂和电网就供给多少电力，既不能多，也不能少，一旦这个平衡遭到破坏，轻则电能质量恶化，造成频率和电压不稳定，重则引发大规模的停电事故，这给电力生产和调度带来很大困难和压力。对于频繁起动和制动的市区行驶的汽车和地铁列车等城市交通工具，制动能量还是一个未被开发利用的能量。目前地铁列车多采用制动电阻消耗制动或减速过程中的能量，转化为热能而浪费了，能量的利用率降低。造成这样结果的原因就是目前还没有理想的大规模储存电能的技术和装备，大规模的储能技术是电力行业中备受关注但尚未解决的难题之一。采用能量储存可以充分利用制动能量、解决供电系统中的峰谷差的问题、改善直流供电稳定性、降低供电系统峰值功率要求。在储能装置中，超导储能和超级电容技术很有吸引力，但由于其工艺不很成熟，价格太高，近期难以取得突破性进展。而飞轮储能技术发展已经比较成熟，被认为是近期最有希望和最有竞争力的新型储能技术，受到国内外的重视，成为目前许多科研工作者的研究重点。飞轮储存的能量e 由转动惯量，和转动角速度国决定：e = l e 0 2 1 2 ，为了提高转速，转子的磁浮轴承支承是系统中的一项关键技术。第1 0 页西南交通大学博士学位论文国内一些高校及科研单位( 如西安交大、南航、清华大学、中科院等) 已成功地进行过轻载、高速磁浮轴承的理论研究及实际应用，但对于重载、中低速磁浮轴承的研究与应用在国内还很少见。而大功率电机核发电已成为我国能源的重要组成部分，秦山、大亚湾核电站分别于1 9 9 1 年、1 9 9 4 年投入使用，截止到2 0 0 4 年底，投入使用及在建的核电站达1 7 个，从发展我国核电事业和改善电力供电质量而言，研制大功率的磁浮轴承电机系统无论在理论上还是实际应用中都具有十分重要的意义。1 3 2 论文的主要工作本论文旨在对磁浮轴承系统进行详细的理论分析和试验，探索采用磁浮轴承支承的大功率、高转速电机系统的性能特点和关键技术，为大功率电机磁浮轴承的工业应用奠定技术基础。论文主要工作如下：1 针对大功率电机磁浮轴承系统进行研究，并研制成功国内目前最大功率( 1 5 k 叨电机的有源磁浮轴承系统，转子轴重量达7 8 5 堙，实现了转子6 个自由度的稳定控制，运行情况良好。2 对磁浮轴承系统各个环节进行了设计，并进行了结构改进。提出了推力盘兼作测速齿轮的结构以及新型径向轴承电磁铁结构形式，便于制造、安装和缩短磁路长度。3 进行轴承系统安全性设计。除了必要的轴向和径向机械保护轴承之外，论文中还对功放主电路、操作控制和供电系统的安全运行提出了几种主要的保护措施，提高系统的安全性和可靠性。4 针对处于一个封闭环境中的磁浮轴承，设计了通用的监控系统，实现了系统参数的“遥测、遥调、遥控”功能。能实时地对系统各物理量进行测试，实现测试数据的“可视”化；便于在线调节系统工作参数；而且在出现故障时，系统能及时报警；以及远距离对整个系统进行启停、调速等操控。5 首次提出一种新型的径向轴承结构，在不影响磁浮轴承功能的同时，消除各磁铁之间的磁场耦合，降低了轴承的磁阻和功耗，提高了效率。该方案已获国内实用新型专利，专利号为：z l 2 0 0 5 2 0 0 3 3 7 6 4 7 。并详细地计算了气隙磁场及转子涡流对轴承性能的影响。6 对磁浮轴承系统具有的典型特性进行了详细分析。重点分析了差动控制方式、传感器的检测方式、传感器位置与电磁力不共点的处理、轴向推力盘倾斜对径向轴承的影响、功率放大器的控制策略以及陀螺效应的影响。并西南交通大学博士学位论文第1 1 页在国内首次分析了电机的不平衡磁拉力对轴承系统的影响。7 针对电磁悬浮系统的非线性和固有不稳定性，论文中提出采用仿人智能的非线性p i d 控制方法来实现轴承一转子系统的稳定悬浮。采用分散控制方法，利用t m s 3 2 0 v c 3 3d s p 设计了磁浮轴承的数字控制器；并提出用陷波器和交叉反馈控制来消除转子不平衡和陀螺效应的影响，提高系统的控制精度。8 针对实验样机系统，进行了起浮与降落、加载与减载、冲击干扰及转子不平衡影响的仿真和实验结果分析，得出了一些对工程应用具有指导意义的结论。1 3 3 论文内容安排本章首先介绍了磁浮轴承的特点、分类、系统组成和工作原理；其次介绍了磁浮轴承在国内外的发展状况、今后的发展趋势以及仍需解决的技术难题；最后介绍了论文的选题背景、主要工作。第2 章对立式磁浮轴承电机系统各个环节进行了简要设计，并对悬浮盘、径向轴承等部分部件进行了结构改进，研制了1 5 k w 磁浮轴承电机的实验系统。针对磁浮轴承系统一般工作在封闭环境，为了实时了解系统的工作状态，设计了磁浮轴承电机的监控系统，实现了整个系统参数的“遥测、遥调、遥控”功能。第3 章提出一种新型的径向轴承结构，利用非磁性材料消除各磁铁之间的磁场耦合，降低了轴承的磁阻和功耗，提高了效率，并详细地计算了气隙磁场分布及转子涡流对轴承性能的影响。进而提出轴向磁通结构，减小涡流效应。第4 章对磁浮轴承系统具有的典型特点：差动控制方式、传感器的检测方式、传感器位置与电磁力不共点问题的处理、轴向推力盘倾斜对径向轴承的影响、功率放大器的控制策略、电机的不平衡磁拉力对轴承系统的影响以及陀螺效应的影响进行了详细分析。第5 章分别建立了轴向轴承系统和径向轴承系统的数学模型，比较了传统的p i d 控制方式和气隙单闭环控制后，针对电磁悬浮的特性，采用了非线性p i d 控制方法实现稳定悬浮控制。并提出用陷波器和集中控制来消除转子不平衡和陀螺效应的影响，提高系统的控制精度。第6 章针对实验样机系统，进行了悬浮系统的起伏和降落、加载和减载、外力冲击和气隙干扰、转子质量不平衡的仿真和实验结果分析，得出了一些第1 2 页西南交通大学博士学位论文对工程应用具有指导意义的结论。结论部分总结了论文所作的工作及取得的成果，并提出需要进一步完善和研究的几个问题。西南交通大学博士学位论文第1 3 页第2 章磁浮轴承电机系统设计磁浮轴承集机械学、动力学、控制理论、电磁学、电子学、半导体技术和计算机科学于一体，系统较为复杂，设计问题涉及的技术领域和内容也非常多。主要包括两大方面：1 ) 以转子结构和轴承动特性系数为主的动力学性能设计；2 ) 以轴承几何尺寸和电气参数为主的系统控制器的选择及参数设计。此外，还包括必要的机械原理设计、磁路与电磁场设计、电子电路和控制系统的设计等。2 1 设计要求若要求转子能稳定地悬浮在规定的位置上，就需对它的五个自由度进行控制( 轴向旋转自由度通过电机来控制) ，这就要求有两个径向轴承和一个推力轴承，构成一个完整的磁浮轴承系统。设计时必须考虑的主要因数有：( 1 ) 轴承载荷，包括转子质量、轴向和径向载荷；( 2 ) 轴承结构及尺寸，包括轴承的形式、内径、外径、宽度；( 3 ) 工作温度；包括环境温度和系统发热、散热；( 4 ) 转子转速；根据材料性能和设计要求确定。( 5 ) 轴承刚度；根据转子的性质和控制要求确定适当的刚度。( 6 ) 静态、动态控制精度；包括静态位置误差、动态频响特性及在各种干扰下系统的工作稳定性。2 2 系统各部分的设计2 2 1 概述一般情况下，核反应堆冷却循环风机或飞轮储能系统，电机的功率较大，转子轴较长且重量大，多采用立式安装方式。因此本文将以立式结构的电机来设计磁浮轴承系统，并研制出原理性样机。2 2 1 1 磁浮轴承结构形式对于立式结构的电机系统，轴向轴承主要承载的是转子本身的自重，属于单方向静态载荷，而其动态载荷相对较小，所以可采用单边工作方式的圆盘电磁铁系统。而径向轴承无静态载荷，但需要承担双向的动态载荷，因此，第1 4 页西南交通大学博士学位论文我们在每个自由度上设计两个电磁铁进行差动控制，使得能产生正向力、负向力，满足动态载荷双向变化的要求。2 2 1 2 磁浮轴承静态工作点的设置磁浮轴承的静态工作点定义为转子处于平衡位置时轴承电磁铁所处的工作状态。设置静态工作点包括磁路中工作气隙大小，磁感应强度及线圈中直流激磁电流的确定。在均匀气隙磁通，不考虑铁芯磁阻、漏磁及涡流情况下，当仅考虑均匀气隙磁通产生的吸力时( 忽略边缘效应) ，电磁吸力计算采用麦克斯韦公式：f ：奎( 2 1 )2 、。由安培环路定律可得气隙磁感应强度公式：b ：_ “o n l( 2 2 )j、式中：s 有效磁极面积，风一空气磁导率，b 气隙磁感应强度，一线圈匝数，一激磁电流，万一单边工作气隙。由此可知，磁浮轴承的工作气隙占越小，产生相同大小的电磁力所需的安匝数越小，磁浮轴承的体积就越小，所消耗的功率越小。但在磁浮轴承中，由于必须设置应急机械轴承，而且在动态载荷下，转子存在一定幅度的振动，所以工作气隙一般也不能太小，万的取值决定于转子直径。本文中轴向、径向轴承的额定工作气隙取为8 0 = i o m m ，起浮气隙为覆，= 2 o m m 。由公式( 2 1 ) 可知，磁极面积一旦确定，由于磁性材料的磁饱和性，最大电磁吸力也不可改变，因此，应根据动态载荷、静态载荷所需的电磁吸力来合理确定静态气隙磁感应强度。在径向轴承中，由于采用差动控制的每一对电磁铁无静态载荷，为了使双向动态变化范围大致相同，静态工作点均设置在磁化曲线线性区的中点。而轴向轴承中，电磁铁的静态工作点对应其静态承载能力，应由公式( 2 1 ) 确定，静态工作点产生的电磁吸力应与转子重量平衡。对于优质硅钢片，铁芯饱和磁感应强度约为1 8 t ，考虑漏磁及温升对饱和磁感应强度的影响，并留有一定的线性区裕量，通常设置额定工作磁感应强度为0 5 5 , - - 0 6 5 t 。当工作点的磁感应强度b 确定后，由公式( 2 2 ) 可求得与其对应的直流激磁安匝数 v 。公式( 2 2 ) 还表明，无论磁通是由大电流、少绕组匝数，还是由低电流、多绕组匝数产生都可以，实际直流激磁电流应考虑轴承电磁铁可西南交通大学博士学位论文第1 5 页利用的空间、线圈电流响应速度( 即线圈电感) 、重量及温升等因素。2 ，2 1 3 起浮问题磁浮轴承起浮前，实际气隙大于额定工作气隙，由吸力公式( 2 1 ) 、( 2 2 )可知，电磁吸力与气隙的平方成反比，气隙越大，吸力越小，要想正常起浮，必须增大起动电流。这就要求驱动电磁铁的功率放大器能提供足够的输出电流。特别当静载较大时，起动电流问题更不可忽视，设计悬浮电磁铁时需考虑相应的起动电流值。由公式( 2 2 ) 可知，当气隙增大一倍时，电流也需要增大一倍才能保持气隙中的磁感应强度b 值不变，这时需要控制激磁电流l ，使其与起浮时的气隙正。配合，提供出足够大的电磁吸力，转子才能正常起浮。2 2 1 4 线圈温升计算轴承电磁铁由于安装在机壳内，散热条件不好，有时出于散热需要采用强迫风冷，但也只能通过有限的机壳通风孔与外界空气对流，因而，轴承电磁铁设计时就必须根据实际散热条件和允许温升进行设计。对于长期工作制的电磁铁线圈达到稳定温升时，应有发热功率= 散热功率，即热平衡方程式由牛顿公式计算：，2 r = r s h k ( 2 3 )式中：一线圈稳定工作电流，r 线圈电阻，乙一线圈温升，瓯一线圈有效散热面积，足，一线圈表面综合散热系数。有效散热面积要根据实际情况来计算，若温升太高，要返回调整电流或线圈匝数或结构，直至满足温升指标。2 2 1 5 设计步骤磁浮轴承是集机械、电子、电磁、控制等多学科技术于一体的机电系统，其结构参数的设计是一项复