移动承载的电磁轴承—转子系统动力学的建模与分析

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主动电磁轴承(AMB)是一款高性能的机电一体化轴承。使用可以控制的电磁力为转子系统提供非接触式的悬浮支承,得到的悬浮结果与传统的机械轴承相似,但其转子系统能够达到的转速比传统机械轴承的要高得多。除此之外,AMB还具有如摩擦损耗为零、不需润滑、使用寿命长、振动可以控制等优点。因此,AMB广泛应用于航空航天、高速度旋转、高精度加工及高效率储能等领域。在大多数研究中,电磁轴承-转子系统一般是安装在载体的质心位置。但是在实际过程中,转子系统根据需求的不同在载体上的位置可能发生改变,不安装在载体的质心位置处。且在大多数的研究过程中,没有详细讨论转子系统的安装位置和轴向方向不同对其动力学特性的影响。所以研究转子系统的安装位置、轴向方向改变时对其转子动力学特性的影响是有意义的。本文主要分析电磁轴承-转子系统在移动载体上的安装位置、轴向方向不同对其动力学特性的影响。首先,本文对磁悬浮技术和电磁轴承的建模的发展情况进行了概述,详细分析了主动电磁轴承-转子系统的组成部分和基于牛顿力学的运动微分方程,简单描述了该轴承系统的工作原理。其次,建立了地面固定直角坐标系、载体相对直角坐标系、辅助直角坐标系和转子直角坐标系等四个坐标系描述转子的位置,在拉格朗日方程的基础上建立了转子系统安装在移动载体的任意安装位置和轴向方向时的一般运动微分方程,分析了安装位置参数和轴向方向参数不同对其转子系统动力学特性的影响。在Matlab/Simulink上搭建了基于牛顿力学、Lagrange方程的数学模型。搭建了存在dSPACE系统的半实物实时仿真平台,对该系统平台中的dSAPCE系统、Simulink模块进行了详细介绍。最后,在基于牛顿力学、Lagrange方程的模型中分别进行了转子悬浮仿真实验,对仿真结果进行了对比分析。在基于Lagrange方程的模型中,进行了转子系统在移动载体上的安装位置不同、轴向方向相同时的仿真实验和安装位置相同、轴向方向不同时的仿真实验。分析了转子系统在移动载体上的安装位置、轴向方向不同对其转子系统动力学特性的影响。在半实物仿真平台上进行了转子系统在载体静止状态下的悬浮实验和转子系统在载体振动状态下的悬浮实验。在基于Lagrange方程模型中进行了转子系统在载体静止或振动状态下的悬浮仿真实验。分析了载体在做爬升、俯冲、盘旋、横滚等经典运动时,主动电磁轴承-转子系统的安装位置和轴向方向不同对转子运动特性的影响。
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