毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述
一、磁悬浮轴承简介
磁悬浮轴承[1]也称电磁轴承或磁力轴承 ,是利用磁场力将轴承无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型高性能轴承。 由于它具有一系列独特的优点 ,近年来对其研究颇为重视。又因为磁悬浮轴承技术涉及多个领域 ,多项技术的交织在其中表现突出 ,研究和开发利用的难度较大 ,对其研究力度正在进一步加强。
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1842年 , Earnshow 就证明: 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。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。1937年 , Kenper 申请了第一个磁悬浮技术专利 ,他认为要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的调节磁场力的大小 ,即采用可控电磁铁才能实现 ,这一思想成为以后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。 伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展 ,本世纪 60年代中期对磁悬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悬浮列车的研究。 磁悬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: 1969年 ,法国军部科研实验室( LRBA )开始对磁悬浮轴承的研究; 1972年 ,将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上 ,从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。此后 ,磁悬浮轴承很快被应用到国防、航天等各个领域。 美国在 1983年 11月搭载于航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了磁悬浮轴承真空泵;日本将磁悬浮轴承列为 80年代新的加工技术之一 , 1984年 , S2M公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公司 ,在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等。经过 30多年的发展 ,磁悬浮轴承在国外的应用场合进一步扩大 ,从应用角度看 ,在高速旋转和相关高精度的应用场合磁悬浮轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流。
二、磁悬浮轴承的工作原理及运行特性
磁悬浮轴承是[1]一个复杂的机电耦合系统。在早期的研究过程中 ,它由机械系统和控制系统两个子系统组成。 计算机技术的发展为实现整个系统的智能化提供了条件 ,将计算机加到系统中得到磁悬浮轴承系统。 在这个系统中 ,利用计算机可以更方便地从外界拾取信号 ,并对其进行智能处理 ,实现轴承的稳定运行与控制。机械系统由转子和定子组成 ,通常它们都是由铁磁叠片构成的。 转子叠片装在轴径上 ,定子叠片上开有槽 ,并缠绕着线圈以提供磁力。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 [2]。 传感器: 即检测元件 ,是磁悬浮轴承的重要组成部分 ,位置传感器用于检测转子的偏移情况 ,速度传感器用于检测转子的运动速度;控制器: 是个整个磁悬浮轴承的核心 ,其性能决定了磁悬浮轴承的好坏 ,其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 ,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;功率放大器: 其作用是向电磁铁提供产生电磁力所需的电流。磁悬浮轴承工作的基本原理: 通过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 ,从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置磁悬浮轴承可以按磁悬浮方式和结构等多种方法来分类 ,有很多类型。按悬浮方式可分为主动式和被动式;按结构可分为立式、卧式、内转子型和外转子型;按作用力可分为吸引式和排斥式;按接触方式可分为完全非接触型和部分接触型 ;按电磁铁类型可分为超导式、交流控制式和直流控制式.目前 ,在磁悬浮轴承研究领域主要以主动的直流控制式磁悬浮轴承为研究对象 .需要指出的是: 与主动磁悬浮轴承相比 ,被动磁悬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 ,亦即缺少像机械阻尼或像主动轴承那样的附加手段 ,因此这个系统的稳定域是很小的,外界会使它趋于不稳定。
三、磁悬浮轴承的发展概括
我国的电磁轴承研究工作起步于20世纪80年代初[3]，清华大学"南京航空航天大学"上海大学"沈阳工业大学"北京航空航天大学"西安交通大学"哈尔滨工业大学"北京工业大学和江苏大学等单位都先后开展了磁悬浮轴承的研究，目前各项技术已经基本成熟，但是磁轴承的产业化还处于空白期!1982年上海微电机研究所研制了我国第一台全悬浮磁力轴承样机!1994年西安交通大学成功研制转速高达24KR/min的五自由度磁悬浮电主轴样机，实现了国内磁悬浮支承技术方面零的突破。2000年清华大学与无锡开源机床集团实现了内圆磨床磁力轴承电主轴的工厂应用实验。2006 年国内首家从事磁力轴承产品研发和推广的专业公司飞旋科技公司成立，并于研发出国内首个拥有自主知识产权"转子转速达23000r~27000r的基于交叉反馈控制的FS450型分子泵磁轴承。2009山东大学自主成功研制了采用磁悬浮自调桨距技术的垂直轴风力发电机，已应用在济南南部山区仲宫金刚纂村的路灯上。2012年南京航空航天大学设计了径向悬浮力 !400N的异极性永磁偏置径向磁轴承，其悬浮性能优良，为其它型永磁偏置磁轴承的研究奠定了基础!总体来看，国内的磁悬浮轴承技术的研究大都还处于实验室及工业试验运行阶段，距离大规模的工业化应用还有一段距离，为了促进国内磁悬浮轴承技术的交流与发展，中国从2005年开始，每两年举办一次磁悬浮轴承学术会议，截止到 2013年 8 月已成功举办五次，这对提升国内磁悬浮轴承技术的发展起到了很大的推动作用。
四、磁悬浮轴承的H无穷控制
H∞控制理论是20世纪80年代开始兴起的一门新的现代控制理论[4]。H∞控制理论是为改变近代控制理论过于数学化的倾向以适应工程实际的需要而诞生的,其设计思想的真髓是对系统的频域特性进行整形(Loopshaping),而这种通过调整系统频率域特性来获得预期特性的方法,正是工程技术人员所熟悉的技术手段,也是经典控制理论的根本。1981年Zames首次用明确的数学语言描述了H∞优化控制理论,他提出用传递函数阵的H∞范数来记述优化指标。1984年加拿大学者Fracis和Zames用古典的函数插值理论提出了H∞设计问题的最初解法,同时基于算子理论等现代数学工具,这种解法很快被推广到一般的多变量系统,而英国学者Glover则将H∞设计问题归纳为函数逼近问题,并用Hankel算子理论给出这个问题的解析解。Glover的解法被Doyle在状态空间上进行了整理并归纳为H∞控制问题,至此H∞控制理论体系已初步形成。在这一阶段提出了H∞设计问题的解法,所用的数学工具非常繁琐,并不像问题本身那样具有明确的工程意义。直到1988年Doyle等人在全美控制年会上发表了著名的DGKF论文,证明了H∞设计问题的解可以通过适当的代数Riccati方程得到。DGKF的论文标志着H∞控制理论的成熟。迄今为止,H∞设计方法主要是DGKF等人的解法。不仅如此,这些设计理论的开发者还同美国的The Math Works公司合作,开发了MATLAB中鲁棒控制软件工具箱(Robust Control Toolbox),使H∞控制理论真正成为实用的工程设计理论。
五、磁悬浮轴承的研究背景和意义
当前，国外对于磁悬浮系统的可靠性容错控制以及自传感技术的研[5]，仍然是目前的研究热点之一。国外磁悬浮产品早巳面世，而我国在数控机床的高速精密电主轴，磁悬浮飞轮电池，磁悬浮人工心脏泵，磁悬浮火车、卫星、远程导弹的制导与姿态控制，军事通讯用的UPS，航空发动机的高速转子，潜艇的振动控制与传动噪音，坦克$装甲车的动力储能等方面与国外有一定差距，急需进行深入研究。国外磁悬浮技术及其应用的研究已经进行了几十年，虽然其人数不多，但持久的研究确保了研究的领先实力。对比我国的研究，难免感到差距，部分研究人员及机构的研究工作停留在表面，缺乏深度，大多数研究依然处于学习和跟踪水平。其中虽有国家投入有限和实验条件限制的客观因素，但研究人员的浮躁心态仍令人担心。另一方面国内有限的磁悬浮研究人才和研究资金被分散到各个方向，不仅浪费了资源，还有可能使我们误入歧途，耽误了真正可靠技术的研究和发展，因此国家需要对磁悬浮技术的研发计划进行优化。此外，磁悬浮技术的研究具有强烈的应用背景，对其论证应该有严格的、特别的责任制度，现有科技评审制度难以保证这类重大技术的客观论证，重大应用技术的应用论证一旦出现问题且被推广，其后果是难以想象的。六、软件介绍
利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型[4]，Matlab提供的可视化仿真工具Simtlink可直接建立仿真模型,随意改变仿真参数,并且立即可得到任意的仿真结果,直观性强,进一步省去了编程的步骤。Matlab搭建的仿真模型，试验中，得到我们所需要的数据，并能准确地分析出桥式起重机的摆动规律和总结出此方案的优缺点。
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