3753994248磁悬浮支承技术及其应用.ppt

专 业 导 论,手机:13871230039；邮箱:,主讲教师：胡业发 博士 机电工程学院二级教授 博士生导师，校学术委员会委员 美国机械工程师学会会员，中国机械工程学会高级会员 全国磁悬浮与气悬浮专业委员会副主任委员 全国智能制造专业委员会专家委员 全国流体工程学会理事 中组部“千人计划”评审专家 教育部“长江学者计划”评审专家 湖北省政府先进制造技术领域专家,机电工程学院,磁悬浮技术-支承技术的一场革命,提 纲,磁悬浮的工作原理及特点,1,2,磁悬浮支承技术的应用,3,课题组的主要研究内容,球轴承,一、磁悬浮的工作原理及特点,普通轴承-如何运动机器的必备部件,磁力轴承是利用电磁力将转子稳定悬于空中，使转子和定子之间实现无机械接触的一种新型轴承。,单自由度磁力轴承工作原理,一、磁悬浮的工作原理及特点,1、磁力轴承的工作原理,球轴承,外圈,内圈,球,磁力轴承（磁悬浮轴承、磁轴承、电磁轴承）是利用电磁力，将被支承件稳定悬浮在空间，使支承件与被支承件之间没有机械接触的一种高性能机电一体化轴承。,一、磁悬浮的工作原理及特点,无机械接触 降低机械能耗，消除磨损，寿命理论上无限；高转速、高精度 转速只受转轴材料限制，线速度可高达200m/s，达亚微米级；功耗低 普通轴承的1/10-1/100；无需润滑 无环境污染，可应用于真空等特殊环境。智能控制 刚度阻尼可调可控，运转特性可监测和控制。,一、磁悬浮的工作原理及特点,2、磁力轴承的特点,主动磁力轴承（Active Magnetic Bearings，简称AMB），以受控的电磁力实现转子的悬浮；,一、磁悬浮的工作原理及特点,3、磁力轴承的分类,支承刚度大，转子位置、支承刚度和阻尼可控可调；被动不稳定，需主动控制。,被动磁力轴承（Passive Magnetic Bearings，简称PMB），以永磁力或超导磁力实现转子的悬浮；,一、磁悬浮的工作原理及特点,3、磁力轴承的分类,无需控制，结构简单，成本低廉；刚度、阻尼小，不能实现全悬浮。,混合磁力轴承（Hybrid Magnetic Bearings，简称HMB），其在结构上同时具有主动与被动磁力轴承的特点。,一、磁悬浮的工作原理及特点,3、磁力轴承的分类,结构小、功耗低、容易实现多自由度符合控制；内部耦合严重、控制复杂。,4、径向磁力轴承,一、磁悬浮的工作原理及特点,一、磁悬浮的工作原理及特点,5、轴向磁力轴承,一、磁悬浮的工作原理及特点,6、磁悬浮主轴系统,一、磁悬浮的工作原理及特点,7、位移传感器,电涡流位移传感器电感式位移传感器,State space model of 48th order24th Rotor16th Foundation8th Electronics,一、磁悬浮的工作原理及特点,8、磁力轴承控制算法,一、磁悬浮的工作原理及特点,9、磁力轴承的功放,1）线性功放 线性功放具有输出纹波小、瞬态响应快、稳定性好及电流噪声小等优点。缺点是效率太低，功耗大，因此高电压下给系统散热带来很大压力。,2）开关功放 开关功放具有效率高、功耗低以及动态特性好。但高频开关信号会给系统带来电磁干扰(包括辐射噪声和传导噪声)，输出电流常含有较大的纹波，会对磁力轴承的悬浮性能产生一定的影响。,二、磁悬浮支承技术的应用,磁悬浮列车直线运动,磁悬浮转子回转运动,磁悬浮技术的两大应用领域,1、磁悬浮列车,二、磁悬浮支承技术的应用,(1)安全:不会脱轨；单向行驶，不会相撞。(2)最大优势-高速,磁悬浮直线支承工作原理,定子展开,转子拉长,轨道,列车,直线支承-磁悬浮列车,列车车厢,磁悬浮列车的特点,高速舒适,300km/h,200km/h,500km/h,轮轨列车,磁悬浮列车,？,磁悬浮列车,超导（斥力）,常导（吸力）,德国,日本,磁悬浮直线支承的应用,磁悬浮列车,常导,德国,磁悬浮直线支承的应用,磁悬浮列车出发,磁悬浮直线支承的应用,磁悬浮列车车厢内部,磁悬浮直线支承的应用,2.磁悬浮旋转支承的应用,磁力轴承,径向磁力轴承,轴向磁力轴承,磁力轴承的应用,技术成熟、有十几家磁力轴承公司，主要有法国S2M公司，瑞士Mecos公司，美国Waukesha公司及加拿大Revolve公司。,二、磁悬浮支承技术的应用,2）真空设备：磁悬浮涡轮分子泵，主要用于半导体生产线，可提供无油的高真空环境。,分子泵结构图,分子泵外观图,二、磁悬浮支承技术的应用,磁力轴承的应用,3）空调设备：用于飞机、火车等运输工具，使用磁轴承以提供清洁的环境。,空调设备外观图,转子结构图,二、磁悬浮支承技术的应用,磁力轴承的应用,4）磁悬浮机床主轴：,车床铣头 外观图,铣床铣头切削图,二、磁悬浮支承技术的应用,磁力轴承的应用,储能飞轮,5）磁悬浮分子泵,二、磁悬浮支承技术的应用,磁力轴承的应用,磁悬浮飞轮电池(G2)储能:581WH 转速：,磁悬浮飞轮电池是一种新型机电能量转换与储存装置，具有大储能量、高功率、无污染、高效率、适用广、无噪声、长寿命等优点。,二、磁悬浮支承技术的应用,6）磁悬浮飞轮电池,磁悬浮UPS,二、磁悬浮支承技术的应用,储能：2136 WH,NASA DEV-1,磁悬浮飞轮电池,二、磁悬浮支承技术的应用,磁悬浮飞轮电池与其他化学电池的比较,磁悬浮飞轮电池,Honeywell JTAGG IIMagnetic Suspend,NASA High-Temperature MB for Gas Turbine Engines,NASA磁悬浮航空发动机,耐高温减振降噪实时监测高可靠性,二、磁悬浮支承技术的应用,7）磁悬浮航空发动机,美国成功研制的磁悬浮飞机，是一种新型的陆上有轨高速交通运输工具，用永磁铁替代超导磁铁，利用电磁力的作用把机体推离轨道，悬浮气隙可达50至150毫米，最高时速可达500公里。目前，德国、日本和美国研究。磁悬浮飞机具有结构简单、造价低、噪音小等特点,磁悬浮助推器,电磁弹射,二、磁悬浮支承技术的应用,8）磁悬浮助推器,磁悬浮减震器,二、磁悬浮支承技术的应用,9）磁悬浮减振降噪设备,磁悬浮隔振器,磁悬浮电机,二、磁悬浮支承技术的应用,10）磁悬浮电机,NASA G4 bearingless motor,11）磁悬浮人工心脏泵,二、磁悬浮支承技术的应用,(1)结构简单，体积小，易植入；(2)与血液接触面积小，抗血栓性好；(3)可植入，感染问题可较好解决；(4)耐久性好；(5)低功耗；(6)易操作，价格较低等。,离心泵和轴流泵两大类。,轴流泵,离心泵,二、磁悬浮支承技术的应用,可再生，取之不尽、用之不竭,与其他能源相比，不受价格影响,与火电相比，平均每装一台单机容量为1兆瓦的风能发电机，每年可以减排：,2000吨二氧化碳；10吨二氧化硫；6吨二氧化氮,12）磁悬浮风能风电机,1、开发了磁力轴承设计分析系统软件，获得软件著作权,开发了集结构设计、分析于一体的磁力轴承软件系统。目的：降低设计成本、缩短开发周期、预测性能。,三、课题组的主要研究内容,2、在Ansys有限元软件的基础上，二次开发了磁力轴承磁场分析软件。目的：磁场分析和计算，指导磁力轴承设计。,三、课题组的主要研究内容,磁悬浮转子系统电磁场实验测量,3.磁悬浮转子的支承磁场研究,磁感应强度理论分析结果,相对磁极实测磁场分布,理论计算与实测结果比较,三、课题组的主要研究内容,4、研究了磁悬浮转子系统的动态特性，分析了支承刚度对磁悬浮转子系统固有频率的影响规律。,临界转速及模态分析,支承刚度对临界转速的影响,振型与传感器布局图,开发了磁悬浮转子动态特性系统软件,三、课题组的主要研究内容,磁悬浮转子系统温度场实验测量结果,磁悬浮转子系统某点 的振动测量结果,磁悬浮转子的噪声场测量结果,5.磁悬浮转子机电耦合实验,磁悬浮转子温度场理论分析,三、课题组的主要研究内容,电磁场对传感器性能影响的实验研究,5.磁悬浮转子机电耦合实验,磁悬浮转子动态特性是机械结构特性和电子控制系统性能综合决定的结果。改变支承处的刚度与阻尼可改变转子的结构动态特性，而控制系统是为转子支承提供合适的刚度和阻尼。,2)实时监测：磁场、温度、振动、噪声。,1)实时控制:位移、电流、相位、固有频率。,三、课题组的主要研究内容,磁悬浮转子系统耦合特性测试台原理图,径向磁力轴承耦合力、耦合力矩测试实验台,5.磁悬浮转子机电耦合实验,耦合特性测试实验台控制系统框图,三、课题组的主要研究内容,磁悬浮电主轴实验装置、功放及控制电路,6.开发了磁悬浮转子机电耦合控制算法 成功实现了36000RPM稳定运行（DN值：1.8106mmrpm）,三、课题组的主要研究内容,三、课题组的主要研究内容,三、课题组的主要研究内容,7.磁悬浮风力发电机,三、课题组的主要研究内容,启动阻力矩实验,三、课题组的主要研究内容,启动阻力矩实验,利用电磁力将盘片悬浮于空中利用主动控制的方式约束盘片的3个自由度利用向心力约束盘片的2个自由度即利用三个电磁铁限制盘片沿Z轴的移动和绕X、Y轴的转动；利用磁场向心力约束盘片沿X、Y轴移动的2个自由度由；盘片绕Z轴转动的自由度不约束。,8.磁悬浮飞轮电池,三、课题组的主要研究内容,8.磁悬浮飞轮电池,三、课题组的主要研究内容,车载磁悬浮飞轮电池实验,8.磁悬浮飞轮电池,三、课题组的主要研究内容,浮筏隔振系统,（1）浮筏隔振技术是在双层隔振技术基础上发展起来的船舶动力设备的一种新型隔振技术。（2）隔振机理：利用两层弹性元件的阻尼和中间质量的设计来控制并吸收、衰减弹性波，获得良好的隔振效果。,9.潜艇磁悬浮减振降噪,三、课题组的主要研究内容,潜艇磁悬浮减振降噪实验平台,9.潜艇磁悬浮减振降噪,三、课题组的主要研究内容,仿真得出：调节磁悬浮隔振器，可以改变隔振平台的固有频率，使其在较宽的频带范围内具有良好的减振效果。,(a)刚度,(b)阻尼,(c)浮筏质量,9.潜艇磁悬浮减振降噪,三、课题组的主要研究内容,9.潜艇磁悬浮减振降噪,三、课题组的主要研究内容,三、课题组的主要研究内容,三、课题组的主要研究内容,三、课题组的主要研究内容,三、课题组的主要研究内容,“高速磁悬浮转子系统中的气流特性实验台”等专利证书,一些专利申请受理书,B&K振动噪声测试硬件和软件系统,HY-2001G红外温度热成相仪,Lakeshore 460 3通道高斯计,三、课题组的主要研究内容,磁悬浮转子实验装置,磁悬浮转子耦合实验台,磁悬浮磨削主轴,永磁磁悬浮风能发电装置,磁力轴承动态磁场 的光纤光栅测试,悬臂梁,光纤光栅,磁感应强度B,展开了光纤光栅动态磁场测试的研究,磁悬浮硬盘单自由度性能实验台,磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台,磁悬浮硬盘控制特性研究,永磁磁悬浮风能发电装置,车载飞轮电池装置,车载飞轮电池实验现场,减振潜艇降噪试验台,无锡永磁卸荷轴承试验台,磁悬浮硬盘性能实验装置,磁悬浮硬盘五自由度性能实验,某自由度方向（3下）起浮曲线,某自由度方向（4上）稳定曲线,磁悬浮硬盘检测装置,磁悬浮地球仪,功放及控制电路,磁悬浮硬盘单自由度性能实验台,磁力轴承动态磁场的光纤光栅测试,学术交流,2003年8月中央电视台CCTV10“科技之光”栏目介绍了本项目的研究工作。,承办的国内外磁悬浮会议,1.第三届中国磁悬浮轴承学术会议于2009年8月22日24日在武汉举行，由武汉理工大学承办。会议主席：胡业发教授/博导,承办的国内外磁悬浮会议,2.第十二届国际磁悬浮轴承学术会议于2010年8月22日25日在武汉举行，由武汉理工大学承办。会议主席：胡业发教授/博导,谢谢同学们的光临！,胡业发 手机:13871230039；邮箱:2012年11月,