磁懸浮軸承--電磁軸承.ppt

1、磁懸浮軸承,孟慶棟 導師：汪希平 軸承樓205室,一、磁懸浮軸承簡介 二、電磁軸承工作原理及數(shù)學模型 三、電磁軸承的故障診斷 四、總結及展望 五、參考文獻,一.磁懸浮軸承的簡介,所謂的磁懸浮軸承就是利用磁性原理使之沒有機械接觸的軸承。 從本質上說，任何一個磁懸浮問題，歸納起來就是一個磁浮軸承問題，其機理基本一致，研究方法也類似。磁浮軸承是利用磁場力將轉子無接觸地懸浮在空間的新型機電一體化軸承，它綜合運用了機械學、轉子動力學、電磁學、電子學、控制理論和計算機科學等多學科的知識，是一項高科技前沿技術。,磁懸浮軸承的分類,二、電磁軸承工作原理及數(shù)學模型,定義：利用電場力、磁場力使軸懸浮的滑動軸承。

2、組成：實際使用的電磁軸承一般由徑向軸承、推力軸承、伺服控制回路、阻尼器、速度傳感器或位置傳感器等組成。 分類：根據(jù)使軸承懸浮的力的來源的分類如右圖所示。,一個轉子要實現(xiàn)完全的懸浮需在其五個自由度上施加控制力，即需要兩個徑向軸承和一個推力軸承。這樣的三個磁力軸承和轉子加上電子控制器就構成了一個完整的電磁軸承系統(tǒng)（簡稱AMBS）。一個完整的電磁軸承系統(tǒng)通常包括2個徑向軸承和1個軸向軸承及其控制系統(tǒng)；每個徑向軸承有2個自由度，每個軸向軸承有1個自由度，這樣一個電磁軸承共有5個自由度。,電磁軸承的工作原理,單自由度電磁軸承工作原理,電磁軸承系統(tǒng)結構,在完整的電磁軸承系統(tǒng)中，電磁鐵的作用是為保持轉子在預

3、定位置上的穩(wěn)定懸浮提供電磁力。當轉子中心發(fā)生偏移時，偏移量由位置信號傳感器拾取后送到調節(jié)電路及功率放大電路，輸出一個控制電壓或電流，調節(jié)電磁鐵的磁場力，使轉子回到正常位置。,電磁軸承的優(yōu)缺點,優(yōu)點：電磁軸承因軸與軸承無直接接觸，不需潤滑，能在真空中和很寬的溫度范圍內(nèi)工作，摩擦阻力小，不受速度限制（有的轉速高達2300萬轉/分,線速度高達3倍音速）,使用壽命長,結構可多樣化。 缺點：靜電軸承需要很大的電場強度,應用受到限制，只能在少數(shù)儀表中使用。,電磁軸承的應用,結合電磁軸承的優(yōu)缺點，電磁軸承已經(jīng)廣泛應用于諸多領域，如超高速列車、超高速離心機、水輪發(fā)電機、空間飛行器的角動量飛輪、流量計、密度計、

4、功率表、真空泵、精密穩(wěn)流器和陀螺儀（利用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。）等。,磁懸浮列車 原理：磁懸浮列車利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約1厘米處，騰空行駛.,高速精密機床,配有數(shù)控式磁軸承的銑床主軸，用于高速銑削，轉速40000r/min,切削功率40kw,散熱器,電磁軸承的性能指標,800000r/min,靜態(tài)品質指標和動態(tài)品質指標,三、電磁軸承的故障診斷,故障診斷本身是一個永無止境的問題，不同的系統(tǒng)和設備各有自己

5、的故障診斷方法，但也有一些共同方法，目前神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊技術、遺傳算法、粗集理論、專家系統(tǒng)、知識庫、冗余與容錯技術等。,與傳統(tǒng)機械軸承不同，磁懸浮軸承需要一套電控系統(tǒng)來維持其工作，電控系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器和驅動器。其中控制器是電磁軸承系統(tǒng)重要的環(huán)節(jié)，其性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項技術指標有密切關系。,1.控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道的故障診斷 磁力軸承控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道包含:從傳感器采集的轉子位移數(shù)據(jù)，直到形成電磁鐵線圈的反饋控制電流的整個過程中的數(shù)據(jù)采集、轉換、控制與傳輸通道。只有數(shù)據(jù)通道正常工作，才能穩(wěn)定地控制磁懸浮轉子。數(shù)據(jù)通道故障診斷的主要內(nèi)容就是對通道中的各個組成部分進行檢測、測試與診斷。具體實現(xiàn)

6、過程針對以基于工控機和所采用的PCI一1711工控卡為硬件基礎的控制通道。,PCI-1711數(shù)據(jù)采集模塊,PCI一1711工控卡組成框圖,（1）. 控制系統(tǒng)中A/D轉換器的故障診斷方法：輸入標準模擬信號，檢測轉換后的數(shù)字信號，與理論上的數(shù)字信號進行比較。具體操作過程采用“三點檢測法”，所謂“三點檢測法”就是輸入的模擬信號分別為最大值(sv)、中間值(2.5v)和最小值(Ov)，檢測相應的12位數(shù)字信號。,（2）.D/A轉換部分的故障診斷方法是:用程序控制12位數(shù)字量從全“0”依次均勻增大到全“1”，用示波器觀察所產(chǎn)生的模擬信號，應為均勻的鋸齒波，從波形不僅可以看出模擬電壓的最大值和最小值，而且

7、還能看出鋸齒波在一個周期內(nèi)是否是理想直線。,（ 3）.對功率放大器的測試，可以直接輸入標準電壓信號檢測輸出相應的電流信號。,2.傳感器故障診斷,主動磁懸浮軸承在工作時需要用位移傳感器實時檢測轉子的位置。大多數(shù)主動磁懸浮軸承都采用渦流位移傳感器。在主動磁懸浮軸承中, 渦流位移傳感器的傳感頭與轉子的間隙一般小于1 mm, 傳感頭在工作過程中要經(jīng)受振動、高速氣流等考驗, 工作環(huán)境比較惡劣, 是整個傳感器中最容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)。主動磁懸浮軸承系統(tǒng)常常采用差動式位移傳感器以提高位移檢測的性能。 從傳感器的功能角度來看，其故障失效形式有兩種，一種問完全失效；另一種為部分失效。,以差動式位移傳感器為例,根據(jù)

8、差分電路的特點，假設Ks1=Ks2=Ks,則Vd=Ks(d1-d2),圖一,此特征可以用來檢測傳感器的故障: 當兩個傳感器的特性相同時，只要Vd不為零, 就表明某個傳感器有故障。而實際應用中，兩個位移傳感器的特性不可能完全一致，因此須設定一個允許的誤差容限Vtol, 如果兩個傳感器的差值信號滿足如下關系式 則可確定兩個傳感器沒有故障。,基于傅里葉變換的傳感器的故障診斷 控制器的輸出信號和傳感器干擾信號及轉子干擾力之間的關系為： 控制器的輸出信號包含兩部分，一部分和傳感器故障有關，一部分和轉子所受干擾力有關。令 當傳感器1失效時有,當傳感器2失效時,綜上結論得：,其中n=1,2分別對應傳感器1故

9、障和傳感器2故障。 因此可以通過Ucs和Vd的相位關系就可以確定發(fā)生故障的傳感器。通過比例系數(shù)的正負來判斷哪個傳感器發(fā)生故障。,3.轉子系統(tǒng)的故障診斷,（1）.當轉子處于磁懸浮狀態(tài)但不旋轉時 采用振動與測試系統(tǒng)進行振動測試，并采用自身的加速度傳感器測試轉子處于懸浮狀態(tài)但不旋轉時的振動規(guī)律。根據(jù)轉子的三個獨立方向的振動頻率和幅值并不相同，但沒有明顯差異這個結論，當測試結果得出的振動特性與上述結論不同時，即為轉子出現(xiàn)故障。,磁懸浮轉子實物圖,（2）.當轉子旋轉時的故障診斷 轉子高速旋轉時比不旋轉時更劇烈的振動，不近轉子會振動，定子也會振動。在正常情況下，定子和轉子的振動特性 都是相對穩(wěn)定的，如果定

10、子的振動頻率和幅值大聲明顯的變化，可作為故障診斷的依據(jù)。通過利用階次分析，測試不同轉速下定子和轉子的振動頻率和幅值，得出頻率、幅值和階次的關系，得出振動的固有頻率，區(qū)分振動產(chǎn)生的根源，進行故障定位。,三、總結與展望,磁懸浮軸承的控制器以及傳感器對軸承的穩(wěn)定性有較大的影響。磁懸浮軸承是一項新興的技術，其優(yōu)點引起了人們極為強烈的關注。但是，到目前為止，國內(nèi)外還沒有特別成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，這就需要我們?nèi)ゲ粩嗟呐?，彌補磁懸浮技術的空白。,五、參考文獻,1G.施韋策，H.布魯勒，A.特拉克斯勒著，虞烈，袁崇軍譯.主動磁力軸承基礎、性能及應用M.北京：新時代出版社，1997 2胡業(yè)發(fā)，周祖德，庫少平著，磁力軸承的故障診斷理論與研究.武漢理工大學 3汪希平，電磁軸承系統(tǒng)的參數(shù)設計與應用研究，西安交通大學，1994 4崔東輝，徐龍祥，基于自適應濾波的主動磁懸浮軸承位移傳感器故障識別，南京航空航天大學 5 SchweiterG,leuer H,Traxler A.Active Magnetic Bearing M. Switzerland:ETH,1994