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一、磁悬浮技术的发展与现状 磁悬浮技术的发展始于上世纪,恩思霍斯(Eamshanws)发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮,此现象于1939年由布鲁贝克(Braunbeck)进行了严格的理论证明,但是它的实际应用研究直到最近二十年才广泛开展。近年来,磁悬浮技术得到了迅速发展,并得到越来越广泛的应用。由于现代科学技术的发展,如传感器、控制技术(尤其是数字控制技术)、低温和高温超导技术,使得磁悬浮技术迅速崛起,各国都投入大量的人力、物力、进行研究。 磁悬浮由于无接触的特点,避免了物体之间的摩擦和磨损,能延长设备的使用寿命,改善设备的运行条件,因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。 二、磁悬浮的应用 磁悬浮技术的应用范围从高速磁轴承到高速悬浮列车,以及大气隙的风洞磁悬浮模型等各个领域。磁悬浮轴承的研究是国外一个非常活跃的研究方向,典型对象是发电机的磁悬浮轴承(又称磁力轴承)。主动式磁悬浮轴承(AMB)以其无机械磨损、无噪声、寿命长、无润滑油污染等特点而广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等领域。 高速磁悬浮电机(Bearingless Motors)是近年提出的一个新研究方向,集磁悬浮轴承和电动机于一体,具有自悬浮和驱动能力,不需要任何独立的轴承支撑,具有体积小、临界转速高等特点,更适合于超高速运行的场合,也适合小型乃至超小型结构。国外自上世纪90年代中期开始进行研究,相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种类型。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单、成本低、可靠性高、气隙均匀、易于弱磁升速,是最有前途的方案之一。传统的电机由定子和转子组成,定子与转子之间通过机械轴承连接,在转子运动过程中存在机械摩擦,增加了转子的摩擦阻力,佼运动部件磨损,产生机械振动和噪声,使运动部件发热,润滑剂性能变差,甚至会使电机气隙不均匀,绕组发热,温升增大,从而降低电机效能,最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场间“同性相斥,异性相吸”的原理使转子悬浮起来,同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重视,并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域,国外已研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵,采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高,而且可以防止血细胞破损引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅可以解除心血管病患者的疾苦,提高患者生活质量,而且对人类延续生命具有深远意义。 三、磁悬浮球控制系统的工作原理 图1 磁悬浮球控制系统功能图 电磁铁绕组中通以一定的电流,产生电磁力,只要控制电磁铁绕组中的电流,使产生的电磁力与钢球的重量相平衡,钢球就可以悬浮在空中,处于不稳定的平衡状态。这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力大小与相互之间的距离成反比,只要平衡状态稍微受扰动,就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住,为此必须实现闭环控制。采用电光源和传感器组成的测量装置测量钢球与电磁之间的距离y的变化,当钢球受到扰动下降,与电磁铁之间的距离增大时,控制电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大,则钢球又被吸回到品衡状态,反之亦然。 以上讨论的是钢球在垂直方向的控制,为了使钢球能稳定地在空中悬浮,钢球在水平方向上也应有一定的稳定范围。为了解决这个问题,将电磁铁铁心指向钢球的一端呈锥体形,如图1示。当钢球在水平方向上偏离中心平衡位置时,电磁力重新指向钢球表面的发向方向。此力可分解为垂直方向和水平方向两个分量,水平方向分量使钢球恢复到原中心平衡位置。 四、对磁悬浮球控制器进行理论设计 首先建立数学模型得到钢球的数学模型为: 选取模型参数 通过对磁悬浮球控制系统的性能分析最终确立系统数学模型。 所以,磁悬浮球控制器校正后的传递函数为: 五、传递函数G(s)的性能分析 由图2示可以知道,该系统由较宽的带宽,截至频率比较大,所以控制系统有较快的快速性;相角裕度越小,系统的阻尼特性越好,动态过程较为平稳;高频斜率大,控制系统有较强的抗干扰能力,钢球能稳定地悬浮。希望采纳