（机械制造及其自动化专业论文）磁力轴承支承的转子动态特性研究.pdf

中文摘要 磁悬浮转子是近几年提出的一种新型、高科技前沿产品。它具有无摩擦、 无磨损、无需润滑、无污染、能耗小以及使用寿命长等优点，适用于各种高 速或超高速、真空等特殊环境场合。在军事、空间站、核工业、能源、化工、 交通等领域具有广泛的应用前景和重要的科学意义。国外已经有相应的产品， 但国内还没有相关产品的报道。 究其原因，磁悬浮转子动态特性是磁悬浮支承与转子动力学综合作用的 结果，其好坏不仅决定悬浮能否实现，而且还直接影响其动态性能和转子的 回转精度。因此开展对磁悬浮支承技术的研究，为磁悬浮转子技术应用于工 业提供技术储备和可能性，具有重要的理论价值和现实意义。本文对磁悬浮 支承的转子进行动态特性的理论与实验研究。其主要研究工作如下： 首先，提出了磁悬浮转子支承磁刚度、磁阻尼的概念，推导出其计算公 式；采用频域等效法系统地分析了频率、转予质量、传感器、滤波、功率放 大器等环节对磁刚度、磁阻尼的影响；并提出了一种对磁力轴承电控环节数 学模型的辨别方法，通过实验验证了该方法的可行性。 其次，根据转子动力学理论，提出了基于磁力轴承支承的转子振动模态 数学模型，开发了相应的计算软件，结合实际项目，计算了磁悬浮转子动态 特性：接着提出了在给定临界转速、振型和传感器布局下的结构动态优化设 计理论；最后提出了一种基于理论计算与试验模态分析相结合辨别磁悬浮支 承刚度的方法。并用b & k 公司的试验模态模块验证了以上理论的正确性。 接着，在磁悬浮转子的不平衡中引入转子全息谱理论与方法，根据磁悬 浮转子传感器检测信号，提出了基于全息谱的磁悬浮转子动平衡控制理论， 解决了柔性磁悬浮转子现场动平衡中的问题。 最后，对磁悬浮转子的起浮特性进行了深入的仿真与实验研究，并研究 了磁悬浮转子在不同干扰力作用下的悬浮特性。通过实验研究了磁力轴承几 何中心位置确定的内容。其结果与理论计算基本吻合。 通过以上研究，为磁悬浮转子技术由经验、类比、静态设计向建模、优 化、动态设计的发展，高速高精磁悬浮转子系统的设计制造作出了有益的贡 献，也为今后的深入研究工作打下了基础。 关键字：磁悬浮支承，磁悬浮转子，磁刚度，全息谱，动态优化 a b s tr a c r m a g n e t i cl e v i t a t e dr o t o ri s an e w , h i g ht e c h n o l o g ya d v a n c e df i e l dp r o d u c t t h a ti sp r o m o t e dr e c e n ty e a r s w i t ht h ea d v a n t a g e so ff r i c t i o n l e s s ，n ow e a r , w i t h o u tl u b r i c a t i n g ，n op o l l u t i o n ，l o wc o n s u m i n ga n dl o n gl i f e ，i ts u i t sh i g ha n d s u p e rh i g hs p e e d ，v a c u u mc o n d i t i o na n ds o m eo ft h es p e c i a lc o n d i t i o n s i th a s i m p o r t a n ts c i e n c es i g n i f i c a n c ea n da b r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nt h ef i e l d so f m i l i t a r ya f f a i r s ，s p a c es t a t i o n ，n u c l e a ri n d u s t r y , e n e r g ys o u r c e s ，c h e m i c a lp l a n t ， t r a f f i ca n ds oo n t h ec o r r e s p o n d i n gp r o d u c t so fm a g n e t i cb e a r i n gh a v eb e e n a p p l i e do v e r s e a s ，b u tt h e yh a v e n tr e p o r t e di nd o m e s t i c b e c a u s et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fm a g n e t i cl e v i t a t e dr o t o ri st h e i n t e r a c t i o nr e s u l to fm a g n e t i cs u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dr o t o rd y n a m i c s i t s l e v e ln o to n l yd e t e r m i n e st h ea c h i e v e m e n to fm a g n e t i cs u s p e n s i o n ，b u ta l s o i n f l u e n c e s t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h et u r n i n gp r e c i s i o no ft h er o t o r t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gt h em a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hc a ns u p p l y t h et e c h n o l o g yr e s e r v ea n dp o s s i b i l i t yf o ri t sa p p l i c a t i o ni ni n d u s t r ya n dh a sv e r y i m p o r t a n tt h e o r yv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rd e v e l o p st h et h e o r y a n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho ft h er o t o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cb a s e do nm a g n e t i c s u s p e n s i o n t h em a i nr e s e a r c ha sf o l l o w s ： f i r s t l y ，p u t f o r w a r dt h ec o n c e p to fm a g n e t i cs t i f f n e s sa n dd a m p ，a n d d e d u c e dt h e mc a l c u l a t i o nf o r m u l a t h e n ，c a r r i e do u tt h o r o u g hs t u d yo fm a g n e t i c s u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i cb yf r e q u e n c yd o m a i ne q u i v a l e n tm e t h o d ，o nt h eb a s eo f t h er e s u l t ，r e s e a r c h e di n f l u e n c eo fa l lk i n d so fe l e m e n t so nt h es u s p e n s i o n c h a r a c t e r i s t i c ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ff r e q u e n c y ，r o t o rm a s s ，s e n s o r ，f i l t e ra n d p o w e rm a g n i f yo i l - m a g n e t i c s t i f f n e s sa n dm a g n e t i c d a m p a d v a n c e d a n i d e n t i f i c a t i o nm e t h o do fm a t hm o d e lo fm a g n e t i cb e a r i n gc o n t r o ll o o p ， e x p e r i m e n ti n d i c a t et h em e t h o di sf e a s i b i l i t y s e c o n d l y , b a s e do nr o t o rd y n a m i c st h e o r y , p u tf o r w a r dm a t hm o d e lo ft h e b e n dv i b r a t i o no fm a g n e t i c s u s p e n s i o nr o t o r ，d e v e l o p e d t h ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r e ，a n dc a l c u l a t e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fm a g n e t i cl e v i t a t e dr o t o ri n r e a lp r o je c t t h e n ，a d v a n c e ds t r u c t u r a ld y n a m i co p t i m u md e s i g nt h e o r yu n d e r g i v e nn a t u r es p e e d ，m o d e la n ds e n s o rl a y o u t ，a d v a n c e dam e t h o db a s e do nt h e i n t e r a c t i o n t h e o r y c a l c u l a t e da n d e x p e r i m e n t m o d ea n a l y z i n gw h i c hc a n d i s t i n g u i s ht h em a g n e t i cs t i f f n e s s w ea l s o d i de x p e r i m e n tr e s e a r c hw i t ht h e e x p e r i m e n tm o d e a n a l y z i n gm o d u l eo fb & kc o m p a n y ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t t h et h e o r i e sa r er i g h t t h e n ，i m p o r t e dh o l o g r a p h i ct h e o r ya n dm e t h o di nt h eu n b a l a n c e o fm a g n e t i c l e v i t a t e dr o t o r ，b a s e do nm e a s u r es i g n a lo fs e n s o r , a d v a n c e dc o n t r o lt h e o r yo ft h e m a g n e t i cl e v i t a t e dr o t o rd y n a m i cb a l a n c ew i t hh o l o g r a p h i ct e c h n o l o g y ，e x p e c t i n g t ob a l a n c et h em a g n e t i cl e v i t a t e dr o t o rr a p i d l ya n de f f e c t i v e l y f i n a l l y , c a r r yo u t s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s t u d yo nt h e l e v i t a t e d c h a r a c t e r i s t i co ft h em a g n e t i cl e v i t a t e dr o t o ga n dr e s e a r c h e di t sl e v i t a t e d c h a r a c t e r i s t i cu n d e rd i f f e r e n ti n t e r a c t i o nf o r c e a n dd i dt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h o fm a g n e t i cs u s p e n s i o ng r i n d i n gs h a f to nd e t e r m i n a n to ft h eg e o m e t r yc e n t e r p o s i t i o no fm a g n e t i cb e a r i n g a c c o r dw i t ht h a tw ec a l c u l a t e db yt h e o r y a l lt h er e s e a r c hc o n t r i b u t e do nt h ed e v e l o p m e n to fm a g n e t i cl e v i t a t e dr o t o r t e c h n o l o g yf r o me x p e r i e n c e ，a n a l o g ya n ds t a t i cd e s i g nt om o d e l i n g ，o p t i m i z a t i o n ， a n dd y n a m i cd e s i g n ，t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fh i g hs p e e dh i g hp r e c i s i o n m a g n e t i cl e v i t a t e dr o t o rs y s t e m ，a n da l s og r o u n d e dd e e pg o i n gr e s e a r c hf o rt h e f u t u r e k e yw o r d s ：m a g n e t i cs u s p e n s i o n ，m a g n e t i cl e v i t a t e dr o t o r , m a g n e t i cs t i f f n e s s ， h o l o g r a p h i c ，d y n a m i co p t i m u m i i i 武汉理工大学博士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代工业的飞速发展，对旋转机械提出越来越苛刻的性能要求，主 要表现在作为旋转机械核心部件的转子要求旋转速度和精度越来越高；而对 另一些工作在极端高温或低温环境下的军工、航空航天领域的旋转机械来说， 除了要求能够承受严酷的环境考验之外，对于转子支承的可控性、安全性及 可靠性有严格要求。综合来讲，主要表现在：高速、高精度、可控性、可 靠性、高效率以及对复杂恶劣环境的适应性等方面，而同时能满足上述性能 要求的支承技术，当首推磁悬浮支承技术。 磁力轴承的问世为支承技术带来了全新的概念，其突出表现在无机械接 触和可以实现主动控制两个方面【2 j ，这两个显著的优点立刻引起了人们对磁 力轴承研究的关注和重视。目前磁力轴承己逐步开始被应用于人造卫星、导 弹、潜艇、战斗车辆等武器中的姿态控制和储能【2 n 3 】 4 1 ，以及高性能的透平机、 真空泵、离心泵、发电机、压缩机、机床主轴、u p s 等。美国、日本、瑞士、 德国等西方国家早在上世纪就开始对其进行全新的研究 5 j 【6 j 【7 j ，并将磁悬浮支 承技术应用到磁悬浮列车、旋转机械、往复运动机械、核工业、宇航工业、 军事装备等各领域中1 8 1 1 9 1 1 0 】【1 l 】。 虽然磁力轴承在安全性、可靠性、能耗以及最优设计等方面取得了令人 满意的结果，但仍需努力对磁力轴承支承的磁悬浮转子系统进行研究，以期 尽快实用化、产业化。特别对如下些问题，如磁悬浮支承特性、磁悬浮转 子动态特性、动平衡以及对刚性和柔性转子的控制等工作，进行更深入的研 究和认识。 国内基于磁悬浮支承的转子研究已进行了多年，然而，由于磁悬浮转子 的研究涉及到机械、材料、计算机、控制、信息、传感等多学科领域，而且 由于其技术的敏感性，有关磁悬浮支承技术国外对我国是封锁的。直到目前 为止，国内还没有成熟的产品问世。因此只有依赖我国自主研究与开发。 1 2 磁悬浮支承技术概述 磁轴承( m a g n e t i cb e a r i n g ，简称m b ) 【1 2 】【1 3 】【1 4 】5 】【1 引，又称为磁悬浮轴承 7 【1 8 脚】、磁力轴n t 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 2 引、电磁轴承 2 4 】【2 5 1 1 2 6 】【2 7 1 ( 注：以下称磁力轴承) 武汉理工火学博士学位论文 是利用电磁力，将被支承件稳定悬浮在空间，使支承件与被支承件之间没有 机械接触的一种高性能机电一体化轴承。按工作原理可分为以下三类 2 l ： 冷主动磁力轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称a m b ) ，以受控的电磁力 实现转子的悬浮； 夺被动磁力轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g 磁力实现转子的悬浮； 冷混合磁力轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ， 具有主动与被动磁力轴承的特点。 简称p m b ) ，以永磁力或超导 简称h m b ) ，其在结构上同时 对于被动磁力轴承而言，磁场是不可控的，电磁力通常由永久磁铁或恒 定直流电流作用下的软磁材料提供，因而目前应用范围较少。但随着超导材 料的出现，以后在这方面可能有更大的应用前景【2 】。而对主动磁力轴承，其 磁场是可控的，电磁力由交流线圈产生的磁场提供，或由永久磁铁和交流线 圈的混合磁场提供，从而使其支承力可控，因而得到最广泛的研究和应用。 本文主要研究可控磁力轴承支承的磁悬浮转子系统的动态特性。 1 ) 磁悬浮支承技术的发展历史 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态是人类一个古老的梦想，人们试图 采用永久磁铁实现物体的稳定悬浮，然而均未获得成功。直到1 8 4 2 年英国剑 桥大学的恩休( e a r n s h a ws ) 教授从理论上证明了单靠永久磁铁不能使物体 在空间六个自由度上都保持稳定悬浮1 2 。1 9 3 9 年布朗贝克( b r a u n b e k ) 进一 步研究表明只有采用抗磁性材料，才能依靠合适的永久磁铁结构与相应的磁 场分布而实现稳定悬浮【2 9 1 。但由于抗磁所产生的磁力太小，故没有工程应用 价值。 直到1 9 5 7 年，法 h i s p a n o s u i z a 公司第一个提出利用电磁铁和感应传感 器组成主动全悬浮系统的设想，并取得了法国专利( f r e n c hp a t e n t1 1 8 6 5 2 7 ， n o v e m b e r ，1 9 5 7 ) 【3 ，这标志着现代磁悬浮技术的开始。而由于控制理论、 控制元件、控制电路等方面的问题没有解决，早期磁力轴承刚度小、阻尼差， 主要应用于仪器、仪表，无法应用于大负载、高刚度主轴部件。上世纪6 0 年 代，随着控制元器件的不断发展和完善，瑞士、法国、日本、美国等国家相 继对主动磁力轴承进行了研究1 2 1 。从7 0 年代n s o 年代初，随着现代控制理论 与电子元器件技术的发展，人们逐步开始将主动磁力轴承应用到工业设备中。 相应的控制方法也从古典控制理论发展到现代控制理论。1 9 7 7 年，s 2 m 公司 开发出了世界上第一台转速为2 4 万转的高速机床磁力轴承主轴。其公司研 武汉理工大学博士学位论文 究人员相继于1 9 7 9 年、1 9 8 0 年发表了论文，全面介绍主动磁力轴承的工作原 理、性能以及在该公司的应用情况【j l j p “。 2 ) 磁悬浮支承技术的研究现状 近2 0 多年来，随着大功率电子元器件、计算机技术以及控制理论和轴承 一一转子系统动力学的进一步发展，磁悬浮技术得到了飞速发展。1 9 8 8 年6 月在瑞士苏黎士召开了第一届国际磁力轴承学术会议，会议就磁力轴承的理 论和应用进行了广泛交流【3 】。1 9 9 0 年7 月在日本东京大学召开了第二次国际磁 力轴承会议【4 】，与第一次会议相比，这次会议涉及的应用范围更广，参加的 国家更多。到目前为止，已召开了9 次磁力轴承国际学术会议 【3 】【4 】【5 6 】【7 1 1 8 】【9 】1 1 0 l f l l 】，将磁力轴承的理论研究与工业应用推向高潮。目前，在 磁悬浮研究较为活跃并处于领先地位的主要有瑞士e t h 、美国马里兰大学 ( u n i v e r s i t yo f m a r y l a n d ) 、弗吉尼亚大学( u n i v e r s i t yo fv i r g i n i a ) 、日本东 京大学( u n i v e r s i t yo ft o k y o ) 和英国萨塞克斯大学( u n i v e r s i t yo fs u s s e x ) 等研究机构，以及法国s 2 m 、瑞士i b a g 、英国g l a c i e r 、美国a v c o n 、m i t 、 s a t c o n 等生产厂家9 】1 1 0 】【j l 】。 1 9 9 8 年瑞士联邦理工学院的r v u i l l e m i n 和b a e s c h l i m a n n ，意大利托尔尼 奥工业大学( t o r i n ou n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 的a a r g o n d i z z a 、s e a g a t e 公 司的g h e i n e 等人首次提出了将磁悬浮技术应用于硬盘驱动器的设想，并对磁 悬浮硬盘驱动器的结构形式、转子振动模态、驱动电机、传感器以及控制系 统进行了研究，并设计制造出了实验用原理样机 3 3 】，这表明磁悬浮技术正向 微型化发展。该项目对磁悬浮硬盘驱动器的研究一直没有间断，2 0 0 2 年该项 目研制出新的磁悬浮硬盘功能概念样机，并发表了最新的研究成果。但研究 仍然处在实验阶段，未见有产品化的报道。 在控制理论方面，经典控制和现代控制都得到了广泛应用。另外，结合 神经网络和遗传控制算法又出现了一些新的方法。目前，理论研究应用较多 的控制方法有：p i d 、l q g 、h o 。、模糊控制、自适应控制、迭代学习控制、 t q c ( 延时控制) 、s m c ( 滑模控制) 、p 综合控制等方法 5 6 【9 l 【1 0 1 。 到目前为止，磁力轴承是唯一投入实用的可以实施主动控制的支承，它 具有一般轴承无法比拟的优越性。而国内的研究从整体上来说还处于理论研 究和试验阶段，没有商品化的应用实例。 1 9 8 2 年清华大学的张祖明、温诗铸就小钢球的单自由度磁悬浮进行了理 论分析和试验研究【2 3 1 。1 9 8 3 年上海微电机研究所采用径向被动、轴向主动的 混合型磁悬浮研制成国内第一台磁力轴承样机j 。这些研究由于模型简单、 武汉理工大学博士学位论文 刚度小、负载低，离工业应用还有很大距离。1 9 8 8 年哈尔滨工业大学的陈易 新等提出磁力轴承结构优化设计理论和方法，并建立了主动磁力轴承机床主 轴控制系统数学模型【22 1 ，这是国内首次对主动磁力轴承从结构到控制进行系 统的研究。同年国防科技大学的杨泉林采用状态反馈原理探讨了磁悬浮控制 的多自由度解耦问题。1 9 9 8 年上海大学开发了基于磁力轴承支承的制氧透平 膨胀机，在实验室获得成功；2 0 0 0 年清华大学与无锡开源机床集团有限公 司合作，实现了内圆磨床磁力轴承电主轴的工厂应用实验。结果表明，内圆 磨床磁力轴承电主轴系统在主轴转速、回转精度、磨削刚度和稳定性等方面 初步满足工厂应用要求 3 5 j ；2 0 0 1 年西安交通大学将磁悬浮技术应用于转动 惯量测试台等方面的研究3 6 1 。目前国内已有清华大学1 2 】【1 8 1 、上海大学【1 4 j 、 西安交通大学1 5 】【1 6 】、武汉理工大学皿o 【2 “、南京航空航天大掣2 4 】【3 7 i 、天津大 学【3 8 1 等多家单位【1 9 】f 39 4 0 】【4 1 】【4 2 1 在进行磁力轴承的研究工作。西南交通大学 4 3 】、国防科技大学1 4 4 】 4 5 1 对磁悬浮列车进行了研究。总体上看，国内的磁力轴 承研究主要集中在飞轮电池、高速磨床主轴、透平机械等，但都没有批量产 品出现的报道，和国外先进水平还有很大的差距。武汉理工大学机电工程学 院是国内研究磁力轴承较早的单位之一，虽然取得了一系列的研究成果，但 还存在着诸多问题有待解决。 3 ) 磁悬浮支承技术的发展趋势 磁力轴承发展到今天，已经成为高科技领域的前沿，受到越来越多国家 的重视，有着广泛的应用范围和发展前景，对磁力轴承的理论分析已经形成 了较为完善的体系。但是，随着工业技术的进一步发展，磁力轴承还有相当 多的课题亟待解决。 因为磁力轴承研究涉及到机械、力学、电子学、计算机、控制工程、传 感器等多学科技术，国内的研究从整体上来说还处在理论研究阶段，没有成 功的应用实例。到目前为止，国内外还没有一套很成熟的理论和设计标准， 阻碍了磁力轴承进一步的推广应用。磁力轴承发展到今天，国内许多科研院 校对其进行悬浮，已不存在任何问题。但一旦磁悬浮转子转速升高，其控制 可能失稳，这与转予的动态特性有关，因为在低速时，磁悬浮转子表现为刚 性转子，对其控制相对而言较简单；但随着转速的升高，转子可能表现为柔 性转子，其控制机理与低速时完全不同。因此有必要对其进行进一步研究。 纵观国内外磁力轴承的应用与发展，2 1 世纪有关磁力轴承的理论研究与 发展必然会呈现以下发展趋势【l o 】 4 6 ： 武汉理工大学博士学位论文 夺从模拟控制转向数字控制，从p i d 稳定性控制转向采用现代控制理论、鲁棒控 制理论、非线性控制理论、自适应控制理论、智能控制理论的应用研究； 夺从刚性转子的研究转向柔性转子的研究； 夺将传感器与轴承进行混合控制，提出了无传感器的磁力轴承： 夺将驱动与轴承进行混合控制，引入了无支承电机的概念； 夺提出零功耗磁力轴承，即超导磁力轴承等； 夺微磁力轴承的研究，如磁悬浮硬盘、磁悬浮光盘【3 3 1 1 4 ”。 所有这些研究使得磁力轴承向多功能、结构化、模块化、智能化方向发展。 尽管磁悬浮控制技术得到快速发展，目前在磁力轴承的研究方面仍然存在着 以下问题 1 0 】【l 】 【4 6 】： 夺将转子作为柔性体进行处理导致磁力轴承控制系统的复杂化，如何处理转子结 构的非线性与控制系统的非线性； 夺探索更为有效的磁力轴承先进控制理论与方法，使磁力轴承控制系统与转子结 构动态特性之间更协调和匹配； 夺磁力轴承支承特性对转予特性的影响，磁力轴承支承与控制的关系、控制参数 对支承的影响 2 1 ； 夺磁力轴承结构与控制的耦合、各控制系统之间的耦合，磁力轴承结构与控制系 统的综合优化设计； 夺磁力轴承系统的设计理论和设计方法，通用的设计软件，生产的标准化和批量 化； 夺磁悬浮系统中不平衡的研究，以及磁悬浮转子不平衡的补偿与控制。 只有很好地解决上述问题，才能真正发挥磁悬浮转子无与伦比的优越性 能，获得较高竞争力的性价比，从而更有力地推动磁力轴承的工业化应用情 景。 1 3 磁悬浮转子工作原理及特点 以上介绍了磁悬浮支承技术的发展历史及研究现状，那么磁悬浮转子究 竟如何工作? 在进行基于磁力轴承支承的磁悬浮转子动态特性研究之前，有 必要弄清楚磁悬浮转子的工作原理及特点，本节将讨论研究这些问题。 1 ) 磁悬浮转子的工作原理 在磁悬浮领域中，应用最为广泛的就是主动磁力轴承。一个完整的主动 磁力轴承系统工作原理如图1 1 所示，该系统通常由以下几部分组成：控制 武汉理工大学博士学位论文 器、功率放大器、电磁铁定子及转子、磁悬浮转子、位移传感器等。 图1 - 1 磁力轴承的工作原理 当磁力轴承系统工作时，首先给电磁铁通电，使磁悬浮转子悬浮起来，当 处于悬浮中的磁悬浮转子受到外界干扰偏离工作平衡位置时，位移传感器检测 磁悬浮转子运动偏移信号，并通过变送器将信息反馈给控制器，控制器根据检 测的位移信号采用一定的控制算法，进行计算得到控制信号，然后由功率放大 器将这一控制信号转换为控制电压或控制电流，对电磁铁进行主动控制，调节 磁悬浮转子，使其重新回到平衡位置，从而稳定悬浮在给定位置，进行高速旋 转。而悬浮系统的刚度、阻尼以及稳定性由控制规律决定，刚度和阻尼可在物 理范围内变动，也可根据技术要求进行一定调节，甚至可在其运行过程中加以 调节【2 1 。 2 ) 磁悬浮转子的特点【2 】【1 0 】 1 1 】 由于实现了无机械接触和电子控制，磁力轴承与滚动轴承、滑动轴承以及 油膜轴承相比有以下特点： ( 1 ) 磁力轴承表现在无机械接触方面的特点 夺 由于磁悬浮支承是靠磁场力悬浮转子，相对运动表面之间没有机械接触， 因而不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，磁力轴承的寿命和可 靠性均远高于传统类型轴承； 夺 轴承与转子之间没有摩擦，转子线速度只受材料强度的限制，可达到其它 轴承无法达到的速度。若应用在陀螺仪上，则极大地提高了陀螺的定心能 力； 夺不需要其它轴承所必需的润滑和密封装置，不仅结构简单、可靠，而且可 以在真空、超静无菌、禁止润滑剂等环境下工作。由于省掉了润滑油的存 储、过滤、冷却、循环等设旖，在价格和占有空问位置上，完全可以和滑 动支承相竞争； 武汉理工大学博士学位论文 夺 功耗是普通轴承的1 1 0 1 1 0 0 ， 支承本身能耗小，节约了能源； 宝贵的能源消耗； 这对节约能源有重大意义。首先，磁悬浮 如应用在卫星的飞轮上，可以节约卫星上 ( 2 ) 磁力轴承表现在控制方面的特点 夺 可对转子位置进行控制。磁力轴承不同于其它轴承，即使转子不在轴承中 心也能支承主轴。转轴可在径向和轴向自由移动。 夺磁力轴承刚度和阻尼由控制系统决定，在一定范围内不但可自由设计，而 且在运行过程中可控、可调，所以磁力轴承动态特性好。 夺 磁力轴承可以自动绕惯性主轴旋转，而不是绕支承的轴线转动，因此可消 除质量不平衡引起的附加振动。 转予的控制精度，例如转予的回转精度，主要取决于控制环节中信号的测 量精度。普通电感传感器的分辨率大约在0 0 1 0 0 0 1 m m 之间。 夺 为了对磁力轴承实施控制，需要对转子的全部或部分状态变量进行测量。 这些测量信号还可以用于不平衡大小的评估和运行状态的在线监测，以提 高系统的可靠性。 冷 磁力轴承不仅可以支承转子、阻尼振动和稳定转子，而且可以用作激振器 使用。对转子施加激振，利用一定的激振信号和响应信号可以识别一些未 知的转子特性。 夺 磁力轴承还可以是一类很好的激振器，在一些领域有时也被当作振动阻尼 器使用。 夺磁悬浮支承系统具有灵活的刚度和阻尼调整能力，能够安全地超越转子的 临界转速，甚至当系统受到非守恒扰动时稳定转子。 目前，磁力轴承在其发展应用阶段中，也存在一些缺点和不足，现将其归 纳如下f 2 】【1 0 【l i 】： 夺磁力轴承尚处于发展阶段，不能形成批量生产，而且结构复杂，成本较高， 因此磁力轴承的价格和普通轴承相比还比较高。但目前已经可以看到磁力 轴承大幅度降低成本的前景，如无传感器磁力轴承的研究。 夺 由于磁力轴承技术涉及机械工程、电气工程、计算机等多种学科，基础知 识比较复杂，而大多数用户并不具备此知识，因此这项新技术不大容易被 接受。 尽管在一些特例中，磁悬浮转子在安全性、可靠性、功耗等方面取得了令 人满意的结果，但仍需努力对磁悬浮转子通用的系统动态特性进行研究。 武汉理工大学博士学位论文 1 4 磁悬浮转子的研究及其应用 正因为磁悬浮技术具有以上独特的优越性，国内外把磁力轴承的出现称 为是支承技术的一场革命，磁力轴承在工业中有着广泛的应用前景。目前， 国外磁力轴承的应用主要集中在以下几个方面： 1 ) 军事工业中的应用2 】1 1 1 1 磁力轴承在这方面的应用既是最早的也是最成熟的。从6 0 年代开始美国 麻省理工学院德雷伯实验室就成功地进行了这方面的研究，主要研究对象是 飞机、潜艇、导弹和航天飞行器制导系统中元件的磁悬浮。其应用包括坦克 的控制、机动导弹发射装置运载工具的定位；火炮、坦克、导弹的发射控制 系统，以及潜艇、飞机、火箭的制导等。还有一些敏感部件的无振动支承， 例如卫星上的光学装置或微重力实验，专家们都建议采用磁悬浮支承。其重 量的减轻和能耗的降低是磁力轴承在航空发动机中得以应用的主要原因。 2 ) 真空和超净环境中的应用 2 1 1 0 1 由于磁力轴承不存在任何机械磨损、无需油润滑，还可以抵抗腐蚀性气 体并具有很高的可靠性，甚至可以使磁场力透过容器壁发生作用而将轴承安 排在真空容器外面。所以它被应用于涡轮分子泵、磁力轴承分子真空泵产品、 空气压缩机。 3 ) 机床中的应用 磁力轴承允许在更高线速度的情况下，以其高刚度、大负载和良好的减 振性弥补了一般轴承的不足。主要用于超高速铣削、磨削机床。图1 - 2 为武汉 理工大学研制的磁力轴承主轴实验装置，图1 3 为瑞士i b a g 公司生产的型号 为h f 2 0 0 m a 4 0 k v 的高速磁力轴承主轴，其最高转速为4 0 0 0 0 r p m ，主要用于 高速铣削加工。 图卜2 磁力轴承主轴实验装置图i 3 瑞士i b a g 公司的产品 4 ) 计算机设备中的应用 3 3 1 1 4 7 1 武汉理工大学博士学位论文 由于磁力轴承具有高速、高精度、能耗小、发热小等特点，其被用于硬 盘和光驱上，如1 9 9 8 年瑞士联邦理工学院的r v u i l l e m i n 和b a e s c h l i m a n n 等人 提出了磁悬浮硬盘驱动器，图l - 4 、图1 5 为磁悬浮硬盘驱动器微型定子、转 子及传感器，其中定子和转子只比火柴头、铅笔头大一点；图1 - 6 、图1 7 为 武汉理工大学自行研制的磁悬浮硬盘实验及检测装置。 图1 4 磁悬浮硬盘驱动器定子图1 - 5 转子、定子与传感器 图1 - 6 磁悬浮硬盘实验装置图1 7 磁悬浮硬盘检测装置 5 ) 石油和天然气工业中的应用【3 】1 9 】 由于磁力轴承能对振动予以控制和阻尼，并且能获得预定的动态性能。 另外不需要润滑、密封，结构简单。所以被运用于石油和天然气工业中的低 温透平膨胀机、离心压缩机。 6 ) 交通中的应用 由于磁悬浮能够提高速度、噪声小、能耗低以及振动小等特点，从6 0 年 代开始，一些发达国家就开始了磁悬浮列车 ( m a g n e t i c a l l y l e v i t a t e dv e h i c l e ，简称 m a g l e v ) 的研究，随后英、美、德、日本 等国相继投入磁悬浮列车的研究 1 4 8 】 4 9 】 5 0 】f 5 l 】【5 2 】。图1 8 是中德合作开发的磁悬 浮列车( 备注：起点龙阳路，终点上海机场) 。 如果京沪高速铁路也采用磁悬浮支承技术， 图1 - 8 上海磁悬浮列车 武汉理工大学博士学位论文 从上海到北京只需要3 小时，而采用目前最先进的高速轮轨技术则需要6 7 小时。 从以上各领域可以看出，采用磁悬浮支承技术不但能大幅度提高设备的 稳定性、可靠性、使用寿命和节约能源，大大提高各领域技术的现代化水平， 使企业更具竞争力，还可产生巨大的经济效益和社会效益。 1 5 存在问题及课题提出 人们对支承技术重要性的认识经历了一个漫长过程。1 8 8 6 年，著名的 r e y o l d s 方程问世，它描述了两运动表面间运动速度、表面几何形状、润滑油 粘度与油膜压力分布之间的关系，从而奠定了流体润滑理论和轴承技术的诞 生、发展与繁荣。随着高速高精度磨削主轴、汽轮发电机、空气压缩机、涡 轮等机械的发展，刺激了转子动力学的发展。而一般在转子动力学研究中， 支承的作用仅仅被理解为承受转子的静态载荷，而与转子的动态特性无关： 支承的安装位置及其几何尺寸由于与转轴本身的长度参数混同在一起被折合 到转子的临界转速估算中，而体现支承的两大要素刚度和阻尼，被完全 掩盖于刚性支承的假设中而被取消【2 0 】【4 6 】【5 3 】【5 4 】【5 5 】。磁力轴承的出现，使得支 承对转子系统的稳定性、动态特性、旋转精度等影响很大，在许多场合几乎 支配着整个系统的性能【2 。然而，目前在磁力轴承的研究中，一方面为了计 算的简单，根据传统转子动力学理论将支承简化为刚性来处理，即忽略控制 系统对转子动态特性的影响：另一方面，在磁力轴承设计中为了便于控制系 统设计，将转子作为刚体来对待，即忽略结构特性对控制系统的影响。另随 着转子转速的提高，特别是对高速转子，支承处的位移不仅受到磁悬浮控制 系统的影响，还受到磁悬浮转子结构特征的影响，因此将转子作为刚体对待， 支承简化为刚性处理都不符合实际情况。因此“转子动力学”更确切地说应 该称为“磁力轴承转子系统动力学”。这样支承的重要性一下子被突出到 决定性的地位，在许多场合几乎支配着整个系统的稳定性。磁力轴承的支承 特性与油膜支承特性有着相似之处，但又存在差别，不能简单的把现有流体 润滑理论运用到磁力轴承上，必须对其进行进一步研究。 从目前能检索到的大量关于磁力轴承的文献资料以及每2 年召开的国际 磁力轴承会议出版的会议论文集等来看。其研究主要集中在磁力轴承结构设 计、控制系统设计、功率放大器设计、解耦算法以及磁力轴承的应用等，而 涉及磁悬浮转子动力学的理论与技术的文献则较少，不够全面；或者说，并 武汉理工大学博士学位论文 没有从机电耦合动力学的高度和深度去探讨磁悬浮支承特性、磁悬浮转子动 态特性等问题，更没有一个解决的理论与方法。文献【2 】指出磁力轴承的支承 刚度和阻尼是可控的，但没有给出具体的数学模型；文献 5 6 1 得出控制器的 比例和微分环节决定磁力轴承的刚度和阻尼，而滤波环节主要改变刚度和阻 尼在低频和高频段内的频率特性；文献 5 7 1 分析了磁力轴承系统的刚度、阻 尼特性与系统结构参数及其控制器频响特性之间的关系，给出了系统控制电 流的相位对系统稳定性和刚度阻尼特性的影响，同时提出了磁力轴承系统的 复阻尼概念，以及部分刚度阻尼特性指标的实际意义和计算方法：文献 5 8 】 研究了磁力轴承系统的稳定性和动态特性：文献 5 9 1 研究了控制器参数与刚 度和阻尼的关系，并给出了刚度、阻尼和控制器参数的线性与非线性关系表 达式；文献 2 0 4 6 1 对磁力轴承的支承特性进行了研究，定义了磁力轴承的时 域刚度和阻尼，建立了磁力轴承时域刚度和阻尼的一般表达式。并针对一般 控制规律，建立了时域刚度、阻尼与广义刚度的表达式，简单分析了控制系 统参数对磁力轴承时域刚度和阻尼的影响，奠定了磁力轴承支承特性的研究 基础。而随着磁悬浮技术的进一步发展，以上研究显然已不能满足当前技术 发展的需要。由于他们的研究主要集中于某一点，不是很全面，如没有给出 频率对刚度、阻尼的影响关系，也没有考虑传感器、滤波环节、功率放大器 等部件对磁悬浮支承刚度和阻尼的影响。 磁悬浮支承的动力特性对转子支承系统的动力特性有重要的影响，那么 如何辨别支承的动力特性参数呢? 滑动轴承的动力特性参数，已经有比较系 统的资料可供参考 5 3 】；而对磁力轴承，到目前为止，还没有任何公开的可供 参考使用的动力特性数据。文献【6 0 】利用单纯形法对磁力轴承控制系统进行 了系统辨别，考察了系统在小范围工作条件下的性能，并指导探索提高系统 性能的途径。文献 6 1 针对磁悬浮系统的本质非线性，提出了基于试验研究 的一种实用的动力学模型开环辨识方法，它能在完全不知系统物理参数的前 提下，较好地辨识磁悬浮系统的动力学方程中的参数，据此设计的控制器可 以对磁悬浮系统的稳定悬浮进行有效的控制。辨识的结果可直接用于某些场 合下磁悬浮系统的运动控制，也可以在此基础上进行更为精确的在线辨识。 以上文献从不同方面研究了磁悬浮支承特性，但没有给出具体的磁悬浮支承 动力特性系数辨别模型及方法，且研究内容偏重不同。另支承刚度不同，可 能给分析结果带来很大的差别。因此，正确地测定磁悬浮支承的动力特性， 就显得特别重要。磁悬浮支承的动力特性受轴承本身的结构参数、运行条件、 武汉理工大学博士学位论文 工作状况、控制系统等因素的影响。因此可以认为磁悬浮支承特性系数是磁 力轴承一一转子系统非常重要的参数。因为磁悬浮转子系统动力学分析如临 界转速计算、不平衡响应分析、稳定性分析等基本内容均与之有关，为了能 够准确设计系统，提高系统的性能和稳定性，对磁悬浮承支承特性系数进行 辨别是十分重要的；另为验证计算方法的准确性，获得更准确的数据，也必 须对磁悬浮支承动力特性参数进行实验测定和辨别。因此，有必要对磁悬浮 支承特性进行更系统、深入、细致的研究。 转子动力学建模主要有传递矩阵法、有限元法、试验模态分