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主动磁悬浮轴承技术研究

刘万涛  
【摘要】:机床的高速化是现代制造技术的重要发展方向之一,这对轴承的要求越来越高。目前高速机床中常用的轴承有静压轴承、空气轴承、陶瓷轴承以及磁悬浮轴承,其中磁悬浮轴承是利用电磁力将转动部件悬浮于空间,由于无机械摩擦、无需润滑、振动小、刚度阻尼可调可控等优点而备受关注。磁悬浮轴承是机电一体化产品,其性能的优劣是由它的控制系统决定。随着计算机技术、自动控制技术、微电子技术的发展,其应用也越发广泛。 本文介绍了磁悬浮轴承的发展历史、国内外的研究现状及其主要应用领域,研究了磁悬浮轴承的工作原理,通过磁路分析,得出磁悬浮轴承电磁铁承载力公式,并以此为基础分别对轴向和径向磁悬浮轴承的结构进行了参数化设计,并结合CK520型立式数控车床用电主轴,提出了径向磁悬浮轴承的优化方法,对其进行了优化计算。 考虑到五自由度模型的复杂性,本文将其解耦为一个单自由度(轴向)控制和一个四自由度(径向)控制分开讨论。在详细分析轴向磁悬浮轴承受力情况的基础上,建立了轴向磁悬浮轴承的数学模型。通过对电磁铁承载力的线性化,推导出了其控制系统的传递函数,并用SIMULINK对控制系统进行PID仿真,得到相关特性。通过分析四自由度模型的受力情况,建立径向磁悬浮轴承的数学模型,并给出其状态空间方程,最后分别对分散控制系统和集中控制系统进行仿真,仿真结果满足要求,说明分散控制的方法是可行的,为后续有关磁悬浮轴承的研究提供参考。


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