磁悬浮轴承 理论、设计及旋转机械应用PDF电子书下载

第1章 介绍和综述 1

1.1 磁轴承原理 1

1.2 作为机电一体化产品的磁轴承 3

1.3 交通运输、物理学和机械工程中的磁轴承 4

1.4 磁轴承的分类 7

1.5 主动式磁轴承的特性 11

1.6 研究和工业应用实例 12

参考文献 17

第2章 主动式磁轴承原理 20

2.1 作为可控支承的磁轴承 20

2.1.1 主动式与被动式磁轴承 20

2.1.2 控制回路单元 21

2.1.3 磁轴承基本模型 22

2.2 闭环磁轴承的控制回路 24

2.2.1 简单主动式磁轴承控制系统设计 25

2.2.2 主动式与被动式磁轴承的不同 28

2.2.3 PD与PID控制 29

2.2.4 电流与电压控制 35

2.3 反馈控制设计 38

2.3.1 状态空间描述 38

2.3.2 状态与输出反馈控制设计 40

2.4 受迫振动和频率响应 42

2.4.1 谐波激励响应 42

2.4.2 广义频率响应 44

2.4.3 作为有力工具的频率响应 45

参考文献 50

第3章 硬件部件 52

3.1 轴承电磁铁 52

3.1.1 磁力现象 52

3.1.2 铁磁材料的性质 54

3.1.3 磁路 55

3.1.4 磁力 57

3.1.5 轴承磁铁设计 60

3.1.6 几何参数 68

3.1.7 径向轴承承载能力估算 68

3.1.8 止推磁轴承设计 70

3.2 永磁偏置磁轴承 71

3.3 功率放大器 72

3.3.1 模拟功放原理 72

3.3.2 开关功放原理 73

3.4 传感器 74

3.4.1 几个术语 74

3.4.2 位移测量 75

3.4.3 磁通和电流测量 78

3.5 结束语 80

参考文献 80

第4章 执行器 82

4.1 结构 82

4.2 功率放大器 83

4.3 电磁铁 85

4.4 执行器组合 87

4.5 算例 90

4.5.1 电磁铁模型 90

4.5.2 跨导式功率放大器 91

4.5.3 跨磁导式功率放大器 92

4.6 驱动模式和线性化 94

4.6.1 差动绕组 94

4.6.2 外部线性化 95

4.6.3 功率放大器模式 95

4.7 电磁铁执行器响应限制 96

4.8 系统特性测量 99

参考文献 101

第5章 磁轴承中的损耗 103

5.1 概述 103

5.1.1 转子损耗 104

5.1.2 轴承磁铁（定子）中的损耗 104

5.1.3 功率放大器中的损耗 105

5.1.4 电缆中的损耗 105

5.2 转子中的铁损 105

5.2.1 磁滞损耗 105

5.2.2 涡流损耗 106

5.3 空气动力损耗，风损 107

5.3.1 基本知识 107

5.3.2 圆柱自由转子的拖曳系数 108

5.3.3 多槽定子中闭式圆柱转子的拖曳系数 109

5.3.4 其他方法 111

5.3.5 空气损耗的制动转矩计算 111

5.4 确定转子损耗 112

5.5 降低损耗措施 113

5.5.1 转子损耗 113

5.5.2 轴承磁铁（定子）中的损耗 113

5.5.3 功率放大器中的损耗 113

5.5.4 长电缆中的损耗 114

5.6 不同应用的损耗 114

参考文献 115

第6章 设计准则与限制特征 116

6.1 承载能力 116

6.2 控制器和执行器 117

6.3 速度 118

6.4 尺寸 121

6.5 高温 121

6.6 损耗 122

6.7 精度 123

6.8 智能机械概念 123

6.9 结束语 124

参考文献 125

第7章 刚性转子动力学 128

7.1 简介 128

7.2 惯性特性 128

7.3 弹性支承下的固有振动 131

7.3.1 运动模型和方程 131

7.3.2 运动稳定性 134

7.3.3 固有振动 134

7.4 转速的影响和陀螺效应 135

7.4.1 陀螺动力学 135

7.4.2 前向和反向涡动 137

7.4.3 高转速下的行为 137

7.4.4 非保守力 138

7.5 静和动不平衡 138

7.6 转子激励和临界转速 140

7.6.1 不平衡转子的临界转速 140

7.6.2 其他简谐激励 143

7.6.3 机械传感器和执行器偏差产生的激励 144

7.6.4 不对称引起的参数激励 144

7.6.5 非周期性激励 145

参考文献 145

第8章 磁轴承刚性转子控制 147

8.1 轴承转子模型 147

8.2 反馈控制设计 149

8.2.1 分散控制 150

8.2.2 分散控制的不足 153

8.2.3 平动与锥动模态的解耦控制 161

8.2.4 其他反馈控制原理 166

8.3 不平衡控制 167

8.3.1 磁轴承不平衡控制策略 167

8.3.2 不平衡控制概述 169

8.3.3 不平衡控制实例：UFRC 170

参考文献 174

第9章 数字控制 179

9.1 数字控制与模拟控制比较 179

9.2 数字控制硬件及时序问题 179

9.3 离散时间控制基础 182

9.3.1 由微分方程到差分方程 182

9.3.2 连续时间系统离散后的特性 183

9.3.3 简单的离散时间PD控制例子 185

9.4 离散时间系统控制设计 190

9.5 数字控制的实现 192

9.6 数字控制磁轴承的诊断能力 193

参考文献 195

第10章 柔性转子动力学 197

10.1 介绍 197

10.2 Jeffcott转子——一种简化的柔性转子 198

10.2.1 Jeffcott转子的力学模型 198

10.2.2 圆盘的运动方程 199

10.2.3 固有振动和固有频率 200

10.2.4 受迫不平衡振动 200

10.2.5 外阻尼的影响 203

10.2.6 轴承弹性的影响 204

10.3 连续质量刚度分布的弹性转子 207

10.3.1 弹性转子建模 207

10.4 基于有限元法的运动方程 209

10.4.1 转子系统单元 209

10.4.2 虚功原理 210

10.4.3 单元矩阵和全局矩阵 212

10.4.4 转子系统矩阵的通用结构 214

10.4.5 固有振动：固有频率和模态 217

10.4.6 实例：航空发动机柔性转子实验台架 219

10.4.7 受迫不平衡振动 223

10.5 磁轴承柔性转子 226

10.5.1 力和位移 226

10.5.2 运动方程 228

10.5.3 磁轴承柔性转子的状态空间表达 229

10.6 有限元模型的简化 230

10.6.1 子结构技术 230

10.6.2 平衡降阶 231

10.7 结束语 232

参考文献 233

第11章 系统辨识 234

11.1 介绍 234

11.2 旋转机械动力学特性 235

11.3 物理与／或模态参数的辨识 236

11.3.1 转子动力学模型 237

11.3.2 频率响应函数测量 237

11.3.3 参数估计 238

11.4 通过磁轴承激振转子 238

11.4.1 力与运动的激振与控制 238

11.4.2 力的测量技术 239

11.5 辨识的应用 240

11.5.1 磁轴承旋转结构的模态分析 240

11.5.2 滑动轴承及密封的转子动力学参数辨识 244

11.5.3 通过辨识对一台泵进行诊断 247

11.6 结束语 248

参考文献 249

第12章 挠性转子控制 250

12.1 挠性效应 250

12.1.1 带宽 252

12.1.2 不重合 253

12.2 模型结构 256

12.3 模型单元与组合 258

12.3.1 执行装置 259

12.3.2 转子 259

12.3.3 传感器、抗混叠滤波器与采样延迟 260

12.3.4 完整模型 263

12.3.5 示例模型 263

12.3.6 包括壳体及子结构 267

12.3.7 闭合环路 268

12.3.8 磁轴承系统模型的一些注意事项 269

12.4 最简单的控制：重合分散PID 269

12.4.1 PID控制概念 269

12.4.2 PID控制实例 270

12.5 性能评估 273

12.5.1 信号权重 274

12.5.2 向量范数 275

12.5.3 奇异值 276

12.5.4 实例 276

12.6 不重合分散PID控制 277

12.7 敏感度 280

12.7.1 小增益理论 281

12.7.2 实例 282

12.7.3 ISO敏感度 283

12.7.4 实例：挠性转子的输出敏感度 284

12.7.5 磁轴承系统敏感度的一般性意见 285

12.8 不重合混合PID控制 285

12.8.1 稳定H11（“锥形模态”） 286

12.8.2 稳定H22（“平动模态”） 288

12.9 ？∞范数 289

12.10 ？∞控制 290

12.10.1 问题描述 291

12.10.2 解的结构 291

12.10.3 解的性能 292

12.11 μ控制 293

12.11.1 解μ综合问题 294

12.11.2 μ控制器的性能 295

12.12 非对称的例子 296

12.13 陀螺效应 298

12.14 不平衡控制 299

12.14.1 最小化控制量 300

12.14.2 最小化响应 301

12.14.3 混合优化 302

12.14.4 实现 302

12.15 结束语 303

参考文献 304

第13章 保护轴承 309

13.1 转子与机壳的触碰综述 309

13.2 触碰模型 311

13.2.1 实验台架 311

13.2.2 接触力模型 312

13.3 涡动运动 314

13.3.1 涡动运动建模 314

13.3.2 涡动运动实验 315

13.3.3 初始状态对涡动发展的影响 317

13.4 球轴承 318

13.5 设计考虑 318

13.6 结束语 321

参考文献 321

第14章 动力学与容错控制问题 324

14.1 避免碰摩 324

14.1.1 典型故障 324

14.1.2 部件冗余 326

14.2 碰摩动力学 328

14.2.1 刚性盘模型 328

14.2.2 完整的转子磁轴承系统 333

14.2.3 接触模式稳定 337

14.3 碰摩前与碰摩期间的控制 338

14.3.1 刚性盘模型 338

14.3.2 避免接触 339

14.3.3 从接触中恢复 339

参考文献 343

第15章 自传感磁轴承 345

15.1 概念 345

15.2 动机 346

15.3 控制方法 347

15.3.1 线性时不变模型 348

15.3.2 线性周期方法 351

15.3.3 开关纹波 354

15.4 遗留技术挑战 358

15.4.1 纹波幅度 358

15.4.2 涡流 359

15.4.3 饱和 360

15.5 结束语 361

参考文献 361

第16章 自轴承电动机 366

16.1 引言 366

16.2 P±2型自轴承电动机 367

16.2.1 结构与原理 367

16.2.2 实验结果与思考 369

16.3 混合型自轴承电动机 371

16.3.1 结构与原理 372

16.3.2 实验结果与思考 374

16.4 洛伦兹型自轴承电动机 375

16.4.1 结构与原理 375

16.4.2 实验结果与思考 377

16.5 轴向自轴承电动机 378

16.5.1 结构与原理 378

16.5.2 实验结果和思考 379

16.6 人工心脏泵的应用 380

16.6.1 动机 380

16.6.2 径向电动机离心泵 381

16.7 结束语 382

参考文献 383

第17章 微型磁轴承 385

17.1 微型磁性执行器及其微缩 385

17.1.1 MEMS 385

17.1.2 微型磁轴承的一些潜在应用领域 385

17.1.3 常常被低估：微型磁性执行器与静电执行器的潜力对比 385

17.1.4 微缩电磁铁 387

17.1.5 无接触轴承的微缩 387

17.1.6 微型转子的空气动压效应 389

17.2 磁轴承型式的分类 390

17.3 抗磁转子轴承 391

17.3.1 基础 392

17.3.2 优化抗磁轴承的永久磁铁布局 392

17.3.3 与永磁轴承的联合 393

17.3.4 利用永磁轴承和抗磁稳定被动悬浮一个80g转子 393

17.4 微型主动式磁轴承 393

17.5 300万r/min的微型轴承 394

17.5.1 系统装置 394

17.5.2 感应电动机 395

17.5.3 不同压力下的风损 395

17.5.4 转速的测量 396

17.6 结束语 396

参考文献 397

第18章 安全性与可靠性问题 398

18.1 安全的心理学和哲学背景 399

18.2 安全性、可靠性和可信任性的定义及技术含义 400

18.3 机电一体化的磁轴承及其失效案例 400

18.4 降低失效风险的措施 401

18.4.1 质量控制，标准 401

18.4.2 设计阶段的系统检查 401

18.4.3 软件开发 402

18.4.4 冗余 403

18.4.5 异常处理，看门狗 404

18.4.6 鲁棒控制 404

18.4.7 固有安全系统，保护轴承 404

18.5 智能机械技术 405

18.6 结束语 408

参考文献 408

撰稿人简介 411