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        德國FAG磁懸浮軸承研究現狀及其發展

        文章出處:本站發表時間:2021-2-19 14:44:39
         

        德國FAG磁懸浮軸承研究現狀及其發展
        德國FAG推力滾子軸承、德國FAG空壓機軸承、德國FAG鐵路軸承、德國FAG調心滾子軸承上??偞?/p>

        德國FAG磁懸浮軸承(磁軸承)與傳統機械軸承不同,其不存在機械接觸,是利用永磁體或通電線圈實現轉子懸浮的一種新型高性能無接觸支承軸承。對影響磁軸承系統性能的關鍵問題—結構和懸浮力建模方法進行較為全面的概述,針對未來磁軸承系統需要解決的關鍵問題及相關措施進行介紹。

         

         

         

        01德國FAG磁軸承研究現狀

        1842年,“物體能在可以提供磁場力的永磁體的作用下實現六個自由度的穩定懸浮狀態”,這一設想曾經被文獻[1]證明其具有不可能性,因此磁懸浮技術的設想一直沒得到發展。20世紀60年代中期,磁懸浮技術的發展有所突破并同時開展了2個方向的研究:磁懸浮列車和磁懸浮軸承。開展磁懸浮列車的研究工作主要集中在德國、英國、日本。磁軸承的快速發展**早起源于太空中對軸承的特殊要求,因此在一些空間慣性輪、衛星導向輪、宇宙飛船動量或能量存儲飛輪等指航天器中磁軸承得到了廣泛應用。隨著磁懸浮軸承的應用日趨成熟,一些適合工業場合應用的低能耗、低成本的高性能磁軸承及相應的控制器逐漸出現。

         

        02德國FAG磁懸浮軸承結構

        磁懸浮軸承的結構是影響磁軸承系統整體性能的關鍵問題,按照磁懸浮軸承系統有無傳感器和磁力提供方式對磁懸浮軸承進行分類介紹。

        表1  磁懸浮軸承結構的類型

         

         

         

        03未來研究趨勢

        隨著相關技術的提高,實際應用對磁軸承系統的性能已提出了越來越高的要求,在已經形成大量磁軸承產品的基礎上,未來磁軸承系統的研究趨勢如下。

         

        3.1 低功耗磁軸承及其控制策略研究

        功耗的增加會使軸承線圈發熱,引起轉子的熱膨脹和傳感器溫漂,影響轉子的控制精度。為進一步提高磁軸承產品的質量,延長磁軸承產品的壽命,實際應用時對磁軸承系統的功耗提出了更高的要求。

         

        1) 新型拓撲結構磁軸承:設計新型低功耗磁軸承,其拓撲形式的選擇與應用場合密切相關,對應用需求進行分析,選擇并設計出適合于某場合的功耗低、結構簡單、控制方便的低功耗磁軸承結構應是未來主要的研究內容。

         

        對于同**磁軸承,可以設計將其定子槽閉合,減少偏置磁通在磁**間的變化,降低轉子鐵心中的鐵損,降低整個磁軸承的損耗,但控制繞組的嵌線相對困難,需采用穿線方式??蓪⑺拇?*變換為三磁**,利用三相逆變器作為開關功放,但自由度之間磁路要耦合,并且同等承載力的情況下,三磁**磁軸承的軸向長度要長。對于異**磁軸承,其優點是漏磁較小,軸向長度相比于同**性磁軸承相對較短,有助于轉子臨界轉速的提高??梢酝ㄟ^將永磁體間隔加裝在定子磁**或定子磁軛上,制成異**性磁軸承,但需考慮永磁磁**的被動控制。因此可以設計盤形、球形,甚至不規則型磁軸承,滿足不同應用場合的新型拓撲結構。

         

        2) 降低偏置電流:對于混合磁軸承來說,**常用的降低功耗的方法是降低其偏置電流。例如通過引入非線性控制算法(如設計TSK模糊控制器、變偏置電流控制器、雙曲線型偏置控制器、PWM調制的PID控制器)智能地改變偏置電流,形成基于開關控制策略的智能偏置控制器。

         

        3) 零功率控制策略:使轉子在懸浮時電磁線圈中的電流近似為零,當受到允許范圍內的靜態力時,通過適當調整懸浮氣隙,始終保持線圈中電流在零附近小幅振動。例如將電流積分項視為外環獨立控制,其電流反饋采用**速電流環,使線圈電流能快速跟蹤控制電壓變化,減少電感滯后作用。根據不同負載對應的**優控制參數及其實現零功率懸浮時對應的間隙,設計變負載質量條件下PD環參數的自適應機制。

         

        3.2 高速轉子的抑制振動研究

        雖然理論上磁軸承轉子可以實現繞慣性軸轉動,但是受限于加工精度和材料不均等因素,不可避免地存在轉子質量不平衡、傳感器噪聲等因素,會造成轉子慣性矢量產生誤差,產生擾動力和力矩。尤其磁軸承轉子允許的工作轉速己遠遠超過普通軸承的工作轉速,隨著轉速的增加,轉子會產生較明顯的陀螺效應和振動干擾,這是高轉速磁軸承系統控制面臨的另一主要挑戰。此外,轉子在高速下工作將導致轉子的柔性化,在工作轉速范圍內出現多個臨界區,一般情況下將磁軸承-轉子當作剛性轉子的分析將產生較大的誤差,上述這些問題將使控制器的設計更加困難。

         

        1) 限波器:可針對磁懸浮轉子位移傳感器諧波噪聲引起的多頻擾動問題,根據多頻擾動特性,構造分級的自適應相移陷波器,每級陷波器對應一個陷波頻率,再將陷波器級聯,分別設置相角補償矩陣解決閉環控制回路在全轉速范圍內的穩定性問題。

         

        2) 解耦控制:可采取解耦振動控制的方法以減弱轉子不平衡振動。通過建模分析,把轉子的徑向不平衡振動分解為2個互相正交方向的獨立振動,各方向的振動均表現為與轉速同頻的單頻率振動(簡諧振動)。因此,可設計單自由度振動自適應控制方法,在已知頻率前提下,對單頻率簡諧振動實現有效抑制。并且在振動變化時,能夠對振動的幅值和相位實現自適應跟蹤。

         

        3) μ控制器:將μ控制器應用到磁軸承柔性轉子控制上,可使磁軸承系統獲得更高的剛度。

         

        4) 建立柔性轉子模型:可通過有限元法計算轉子的頻率響應,得到磁軸承系統轉子的修正模型,然后將陀螺效應的五自由度磁軸承柔性轉子簡化為4個剛性模態和6個柔性模態組成的系統,為設計控制器建立精確的柔性轉子模型。

         

        5) 反饋控制策略: 可針對不同磁懸浮轉子的轉速,設計増益預調的反饋控制策略,基于所創建的與線性控制相對應的反饋通道增益及帶寬參數表。

         

        3.3 高性能控制器設計

        隨著控制技術的發展,幾乎所有經典控制和現代控制理論中的控制方法都可以應用于磁軸承系統的控制中。

         

        1) 單一型高性能控制器:PID控制器、H∞控制器、LQG控制器、μ控制器、滑??刂破?、神經網絡控制器、模糊控制器、解耦控制器等。未來單一型高性能控制器仍是實際應用中**實用且常用的控制器。

         

        2) 復合型高性能控制器:近些年多種單一型控制器組合而成的復合型高性能控制器取得了廣泛關注,也是未來控制器發展的必然趨勢,可以同時發揮多種單一型控制器的優點,克服各控制器的缺點,實現優勢互補的高性能控制器。例如粗集模糊神經網絡控制,無模型自適應控制器,TS-PID模糊控制器,基于各種改進遺傳算法的PID控制器等,或開發出更多新型復合型控制器。

         

        3.4 無傳感器磁軸承系統的研制

        目前主流的無傳感器磁軸承系統自檢測方法有:高頻信號注入法、凸**追蹤、占空比補償、狀態觀測、卡爾曼濾波器等多種方法。其中高頻信號注入、凸**追蹤和占空比補償法需要附加電路和特殊信號處理技術才能實現位移的估計。而狀態觀測、卡爾曼濾波等方法依賴精確模型,且對控制器要求非常高。由于磁軸承易受外界干擾,具有非線性和參數不確定性,這些方法的實際應用效果并不理想,存在魯棒性差、動態性能和信噪比低等問題。為此,有學者提出利用神經網絡來實現位移自檢測,但神經網絡還存在依賴樣本數據、易陷入局部**值等缺陷。而支持向量機方法具有不依賴對象模型,結構簡單,泛化能力強等優點,非常適合解決小樣本、非線性及高維函數擬合問題,在磁軸承位移預測建模與轉子位置估計中具有廣泛的應用前景,且具有較高的預測精度。

         

        雖然無傳感器磁軸承的種類繁多,但目前沒有形成統一的參數設計方法、建模方法及控制系統設計規范的規律可循。未來研究重點應集中在針對無傳感器磁軸承進行統一分類、且應逐步形成比較規范的通用參數設計、建模方法及控制平臺的搭建規律。成熟統一的無傳感器磁軸承產品若實現量產,可以更好地實現低能耗、低成本的磁軸承的社會需求。原因如下:

        ● 傳感器的消失可使轉子的徑軸向尺寸變小,尤其軸向尺寸上的精簡可大大提高系統的動態性能;

         

        ● 磁軸承系統的成本很大部分取決于傳感器,且其受環境影響**強、**易發生零點漂移及機械故障,無傳感器磁軸承的開發與應用可大大提高磁軸承系統的可靠性,降低整體系統成本;

         

        ● 有傳感器磁軸承系統中采集轉子位移信號時,需要解決由于安裝位置導致的耦合性問題。尤其對于徑向對稱安裝的磁軸承來說,為了增加測量的精確性,增加了傳感器的個數且增加了成本。而對于非對稱安裝的傳感器來說,由于非對稱安裝導致位移采集算法上需要精確解耦,增加了控制器設計的難度,而無傳感器磁軸承恰無此類問題。綜上所述,研究在無傳感器下的磁軸承的參數設計、數學模型、控制系統設計及控制系統平臺的搭建是需要進一步解決的問題。

        高速、高精、低能耗、低成本對磁軸承系統是需要迫切解決的關鍵問題,未來對磁軸承系統的發展要求仍是確保磁軸承系統的精度、速度更高,且功耗和成本更低。

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