主动磁悬浮轴承的设计

作     者：耿炜 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨振强

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：磁悬浮轴承 电磁场仿真 温度场仿真 PID控制 粒子群算法 

摘      要：磁悬浮轴承是磁场的产物,可以将转子悬空,磁悬浮轴承定子与转子没有接触,不存在摩擦损耗,这使得磁悬浮轴承性能优良、效率高、坚固耐久、对于环境更加友好。本文基于麦克斯韦方程组等理论公式,对主动磁悬浮轴承进行电磁力、磁感应强度等主要设计参数进行推导,设计出径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承的物理结构和尺寸参数,进行电磁场仿真,验证设计参数的可行性,进行温度场仿真验证整个磁悬浮轴承系统温度是否能保证正常工作,并通过增加不同的散热方式对磁悬浮轴承系统进行温度优化,以达到降低温度的目标,设计基于粒子群优化的PID控制系统,并验证控制系统的可行性。在具体工作如下。本文介绍主动磁悬浮轴承的工作机理,简化磁悬浮轴承的物理模型,根据麦克斯韦方程组推导出电磁力和磁感应强度等主要的设计参数公式,设计出径向和轴向的磁悬浮轴承的物理结构和尺寸参数,完成对主动磁悬浮轴承的物理结构设计。基于设计参数,运用有限元分析软件ANSYS Electronics仿真模拟得到磁感线分布、磁感应强度分布和电磁力大小,验证磁悬浮轴承提供的电磁力是否满足设计需求、磁感应强度在气隙是否分布均匀等条件,为设计参数提供依据。由于磁悬浮轴承系统在工作的时候会产生热量,较高的温度会导致磁悬浮轴承气隙变小、绕组绝缘性变差等不良影响,所以利用有限元分析软件ANSYS Fluent对整个磁悬浮系统进行温度场仿真,分别模拟额定工况和绕组电流增大的工况,得到温度场的仿真结果。通过仿真结果可知,磁悬浮轴承在不加散热的情况下温度较高,对人身安全和系统的稳定性有不利的影响,所以分别模拟自扇冷却和混合冷却两种散热方式,得到优化后的温度场仿真结果,通过仿真结果得出混合冷却有着更好的散热效果,并选用混合冷却作为实际磁悬浮轴承系统的冷却方式。对磁悬浮轴承转子单自由度和四自由度的物理模型进行推导,基于单自由度的物理模型进行PID控制系统设计,验证得到通过粒子群算法优化的PID控制器要比经验调参的PID控制器有更好的控制效果。对转子四自由度控制系统进行设计,并通过粒子群算法对PID控制器进行参数优化,验证控制系统对磁悬浮轴承有良好的控制效果。本文通过对主动磁悬浮轴承的分析,对径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承进行详细的设计,并通过仿真验证了设计参数的可行性,对系统温度场进行仿真优化,得到切实有效的主动磁悬浮轴承优化模型,并设计了基于粒子群优化的PID控制系统,完善了磁悬浮轴承的控制系统设计。