高温超导混合磁悬浮轴承系统的研究与实验

【摘要】： 磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转子悬浮于空中，使转子与定子之间实现 无机械接触的一种新型高性能轴承。本文首次提出了国内外全新的立式永磁有 源高温超导混合磁悬浮轴承研究方案。即采用永磁卸载，高温超导提供稳定， 有源提高径向刚度，保证稳定旋转。本项研究对发展磁悬浮轴承技术和高温超 导块材工程应用具有重大的理论研究意义和实际应用价值。 本文分别介绍了超导磁悬浮轴承、有源磁悬浮轴承和永磁磁悬浮轴承的工 作原理，并建立了高温超导混合磁悬浮轴承转子五自由度数学模型，进行了系 统特性分析。在此基础上，首次研制了五自由度高温超导混合磁悬浮轴承实验 装置。 深入研究了高温超导磁悬浮轴承特性。由磁化模型分析计算了超导磁悬浮 静态悬浮特性，并对实验装置进行了测量和分析。 有源磁悬浮轴承控制系统的研究。研究了几种模拟控制器，应用线性二次 型最优控制理论设计了线性调节器，并研究了带非线性引前校正环节的PID控 制器，提出了大幅度提高系统刚度和稳定范围的参数设计方法。 研究了采用轴向和径向不同磁化方向的永磁环所构成的永磁磁悬浮轴承悬 浮特性，分别运用等效电流法以及有限元法分析计算了磁悬浮力以及刚度特 性。 首次在国内实现了高温超导混合磁悬浮轴承高速运转，运行转速为 9,600rpm，具有大范围稳定性，达到并超过了本论文工作的设计性能指标。测 试了高温超导混合磁悬浮轴承系统的静、动态特性，并对系统的频率特性和动 态特性进行了分析。