电磁轴承

3.转子系统的故障诊断
（1）.当转子处于磁悬浮状 态但不旋转时 采用振动与测试系统 进行振动测试，并采用自 身的加速度传感器测试转 子处于悬浮状态但不旋转 时的振动规律。根据转子 的三个独立方向的振动频 率和幅值并不相同，但没 有明显差异这个结论，当 测试结果得出的振动特性 与上述结论不同时，即为 转子出现故障。
PCI-1711数据采集模块
PCI一1711工控卡组成框图
（1）. 控制系统中A/D转换器的故障诊断方法：输入标 准模拟信号，检测转换后的数字信号，与理论上的数字信 号进行比较。具体操作过程采用“三点检测法”，所谓 “三点检测法”就是输入的模拟信号分别为最大值(sv)、 中间值(2.5v)和最小值(Ov)，检测相应的12位数字信号。 （2）.D/A转换部分的故障诊断方法是:用程序控制12位 数字量从全“0”依次均匀增大到全“1”，用示波器观察 所产生的模拟信号，应为均匀的锯齿波，从波形不仅可以 看出模拟电压的最大值和最小值，而且还能看出锯齿波在 一个周期内是否是理想直线。
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磁悬浮轴承的分类
按磁场力的来源
电磁铁型
永久磁铁型
电磁铁和永久磁 铁混合型
二、电磁轴承工作原理及数学模型
• 定义：利用电场力、磁 场力使轴悬浮的滑动轴承。 • 组成：实际使用的电 磁轴承一般由径向轴承、 推力轴承、伺服控制回路、 阻尼器、速度传感器或位 置传感器等组成。 • 分类：根据使轴承悬 浮的力的来源的分类如右 图所示。
电磁轴承的工作原理
单自由度电磁轴承工作原理
在完整的电磁轴承系统中，电磁铁的作用是为保 持转子在预定位置上的稳定悬浮提供电磁力。当转 子中心发生偏移时，偏移量由位置信号传感器拾取 后送到调节电路及功率放大电路，输出一个控制电 压或电流，调节电磁铁的磁场力，使转子回到正常 位置。
电磁轴承系统结构
电磁轴承的优缺点
磁悬浮轴承
孟庆栋 导师：汪希平 轴承楼205室
一、磁悬浮轴承简介 二、电磁轴承工作原理及数学模型 三、电磁轴承的故障诊断 四、总结及展望 五、参考文献
一.磁悬浮轴承的简介
所谓的磁悬浮轴承就是利用磁性原理使之 没有机械接触的轴承。 • 从本质上说，任何一个磁悬浮问题，归纳 起来就是一个磁浮轴承问题，其机理基本一致， 研究方法也类似。磁浮轴承是利用磁场力将转子 无接触地悬浮在空间的新型机电一体化轴承，它 综合运用了机械学、转子动力学、电磁学、电子 学、控制理论和计算机科学等多学科的知识，是 一项高科技前沿技术。
磁悬浮转子实物图
（2）.当转子旋转时的故障诊断
转子高速旋转时比不旋转时更剧烈的振动，不近转子会 振动，定子也会振动。在正常情况下，定子和转子的振动 特性 都是相对稳定的，如果定子的振动频率和幅值大声 明显的变化，可作为故障诊断的依据。通过利用阶次分析， 测试不同转速下定子和转子的振动频率和幅值，得出频率、 幅值和阶次的关系，得出振动的固有频率，区分振动产生 的根源，进行故障定位。
（ 3）.对功率放大器的测试，可以直接输入标准电压信号
检测输出相应的电流信号。
2.传感器故障诊断
主动磁悬浮轴承在工作时需要用位移传感器实时检测转 子的位置。大多数主动磁悬浮轴承都采用涡流位移传感器。 在主动磁悬浮轴承中, 涡流位移传感器的传感头与转子的 间隙一般小于1 mm, 传感头在工作过程中要经受振动、高 速气流等考验, 工作环境比较恶劣, 是整个传感器中最容 易出现故障的环节。主动磁悬浮轴承系统常常采用差动式 位移传感器以提高位移检测的性能。 从传感器的功能角度来看，其故障失效形式有两 种，一种问完全失效；另一种为部分失效。
• 优点：电磁轴承因轴与轴承无直接接触，不需润滑，能在 真空中和很宽的温度范围内工作，摩擦阻力小，不受速度 限制（有的转速高达2300万转/分,线速度高达3倍音速）, 使用寿命长,结构可多样化。 • 缺点：静电轴承需要很大的电场强度,应用受到限制，只 能在少数仪表中使用。
电磁轴承的应用
结合电磁轴承的优缺点，电磁轴承已经广泛应用于诸多 领域，如超高速列车、超高速离心机、水轮发电机、空间 飞行器的角动量飞轮、流量计、密度计、功率表、真空泵、 精密稳流器和陀螺仪（利用高速回转体的动量矩敏感壳体 相对惯ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检 测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能 的也称陀螺仪。）等。
三、总结与展望
磁悬浮轴承的控制器以及传感器对轴承的稳定 性有较大的影响。磁悬浮轴承是一项新兴的技术， 其优点引起了人们极为强烈的关注。但是，到目 前为止，国内外还没有特别成熟的产品出现，这 就需要我们去不断的努力，弥补磁悬浮技术的空 白。
五、参考文献
[1]G.施韦策，H.布鲁勒，A.特拉克斯勒著，虞烈，袁崇军译.主动磁力 轴承基础、性能及应用[M].北京：新时代出版社，1997 [2]胡业发，周祖德，库少平著，磁力轴承的故障诊断理论与研究.武汉 理工大学 [3]汪希平，电磁轴承系统的参数设计与应用研究，西安交通大学， 1994 [4]崔东辉，徐龙祥，基于自适应滤波的主动磁悬浮轴承位移传感器故 障识别，南京航空航天大学 [5] SchweiterG,leuer H,Traxler A.Active Magnetic Bearing [M]. Switzerland:ETH,1994 [6] Grum N,Green B,Schroder P,Active Magnetic Bearing Ruirements for Turbomachinery .[C]//IEE Colloquium on High Speed Bearings for Electrical Machines London,1997:1-9
磁悬浮列车 原理：磁悬浮列车利用“同性相斥，异性相吸”的原理， 让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬 浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶.
高速精密机床
配有数控式磁轴承的铣床主轴，用于高速铣削，转速 40000r/min,切削功率40kw
散热器
电磁轴承的性能指标
控制器的 带宽 承载能力 系统的品 质指标 性能指标
1.控制系统数据通道的故障诊断
磁力轴承控制系统数据通道包含:从传感器采集的转 子位移数据，直到形成电磁铁线圈的反馈控制电流的整 个过程中的数据采集、转换、控制与传输通道。只有数 据通道正常工作，才能稳定地控制磁悬浮转子。数据通 道故障诊断的主要内容就是对通道中的各个组成部分进 行检测、测试与诊断。具体实现过程针对以基于工控机 和所采用的PCI一1711工控卡为硬件基础的控制通道。
Vd Vtol
则可确定两个传感器没有故障。
•基于傅里叶变换的传感器的故障诊断
控制器的输出信号和传感器干扰信号及转子干扰力之间 的关系为： 控制器的输出信号包含两部分，一部分和传感器故障有关， 一部分和转子所受干扰力有关。令
当传感器1失效时有
当传感器2失效时
综上结论得：
其中n=1,2分别对应传感器1故障和传感器2故障。 因此可以通过Ucs和Vd的相位关系就可以确定发生故障 的传感器。通过比例系数的正负来判断哪个传感器发生故 障。
静电轴承
电磁轴承
磁力轴承 组合式轴承
一个转子要实现完全的悬浮 需在其五个自由度上施加控制 力，即需要两个径向轴承和一 个推力轴承。这样的三个磁力 轴承和转子加上电子控制器就 构成了一个完整的电磁轴承系 统（简称AMBS）。一个完整的 电磁轴承系统通常包括2个径向 轴承和1个轴向轴承及其控制系 统；每个径向轴承有2个自由度， 每个轴向轴承有1个自由度，这 样一个电磁轴承共有5个自由度。
以差动式位移传感器为例
图一 根据差分电路的特点，假设Ks1=Ks2=Ks,则 Vd=Ks(d1-d2)
此特征可以用来检测传感器的故障: 当两个传感器的特 性相同时，只要Vd不为零, 就表明某个传感器有故障。而实 际应用中，两个位移传感器的特性不可能完全一致，因此 须设定一个允许的误差容限Vtol, 如果两个传感器的差值信 号满足如下关系式
静态品质指标和动态 品质指标
阻尼
刚度
最高转速
800000r/min
三、电磁轴承的故障诊断
故障诊断本身是一个永无止境的问题，不同的系统和 设备各有自己的故障诊断方法，但也有一些共同方法，目 前神经网络、模糊技术、遗传算法、粗集理论、专家系统、 知识库、冗余与容错技术等。
与传统机械轴承不同，磁悬浮轴承需要一套电控系 统来维持其工作，电控系统主要包括控制器、传感器和 驱动器。其中控制器是电磁轴承系统重要的环节，其性 能与系统的稳定性及各项技术指标有密切关系。