永磁悬浮旋转体达到稳定平衡的最小转速与转动惯量和轴承力的关系

摘要

为使人工心脏泵长期工作,不因机械磨损而影响其使用寿命,国外均采用电磁轴承或电磁永磁混合型轴承,但其系统设计复杂,体积大,耗能多,且成本高昂。而纯永磁悬浮轴承能避免电磁轴承的缺点,无需复杂的转子位置检测系统和反馈控制系统,不消耗额外的电能,结构简单,成本低。江苏大学生物医学工程研究所发明一种新型永磁悬浮轴承并成功应用于人工心脏泵,实现了心脏泵转子的六自由度稳定悬浮；与此同时发现永磁悬浮存在一个最小临界速度,当转速大于此最小临界速度时旋转体会产生一种陀螺效应,达到稳定平衡。
　　 本文对永磁轴承的悬浮特性做进一步研究,探索影响永磁悬浮旋转体最小稳定转速的因素,即永磁悬浮旋转体实现稳定平衡的最小转速与转动惯量和轴承力的关系。本文应用新的永磁悬浮理论设计了永磁悬浮透平机,制作两个结构不同的模型——模型A:定子不变,有三个结构和尺寸相同但转动惯量不同的转子；模型B:转子不变,定子分三种情况安装磁钢,可实现不同的磁力大小,即安装一对小磁钢,安装一对大磁钢和同时安装两对磁钢。利用均匀分布在透平机定子外侧的四个霍尔传感器进行转子偏心距的测量,以及用速度传感器进行转速测量。对两个透平机模型分别建立转子偏心距计算模型,制作了转子偏心距测量系统实验台,测量两个模型转子旋转时的偏心距。
　　 根据实验所得数据,透平机模型A的转动惯量分别为6.293×10-5 kg·m2、1.074×10-4 kg·m2、2.081×10-4 kg·m2的三个转子,其对应的最小悬浮转速分别为4597rpm、3030rpm、2222rpm；模型B在永磁轴承力分别为92.12N、123.48N、212.66N的情况下,其对应的转子最小悬浮转速为3730rpm、3120rpm、2250rpm。结果表明,同永磁悬浮心脏泵一样,永磁悬浮透平机同样具有陀螺效应,其转子能在一定的转速之上维持稳定的悬浮,并且最小悬浮转速与转动惯量成负相关,即转动惯量越大的转子达到稳定悬浮需要的转速越小；最小悬浮转速也与磁轴承力的大小成负相关,即轴承磁力越大转子达到稳定悬浮需要的转速越小。永磁悬浮系统稳定所需的最小悬浮转速越小,系统的稳定性越好；系统的工作转速与最小悬浮转速的差距越大,系统稳定的安全系数越大。
　　 本文的研究结果为设计高稳定性的永磁悬浮系统奠定理论基础,对永磁轴承的进一步发展和研究具有正面意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 人工心脏研究简介

1.2 研究的背景和意义

1.2.1 磁悬浮人工心脏泵的研究历程

1.2.2 磁悬浮人工心脏泵的分类

1.2.3 纯永磁悬浮人工心脏泵

1.3 本文研究的主要内容

第2章 新型永磁悬浮轴承的理论基础及设计

2.1 引言

2.2 论基础

2.2.1 Earnshaw原理

2.2.2 Braunbeck推论

2.2.3 陀螺效应和Levitron

2.2.4 永磁悬浮新理论

2.3 新型永磁悬浮透平机

2.3.1 传统永磁轴承和新型永磁悬浮轴承

2.3.2 新型永磁悬浮透平机的结构

2.3.3 新型永磁悬浮透平机模型的制作

第3章 转子偏心距计算模型的建立

3.1 引言

3.2 透平机转子偏心距测量的原理

3.3 转子偏心距计算模型

3.3.1 传感器输出电压与转子中心到传感器距离的关系

3.3.2 转子偏心距模型的建立

第4章 转子偏心距检测装置的设计

4.1 引言

4.2 检测装置的硬件设计

4.2.1 器件的选择

4.2.2 原理设计

4.2.3 装置的制作

4.3 检测装置的软件设计

4.4 计算机端的数据处理软件

第5章 实验结果及分析

5.1 引言

5.2 透平机转子转动惯量测量和轴承磁力测量

5.2.1 模型A三个转子转动惯量测量

5.2.2 模型B三种情况下定子转子间轴承磁力测量

5.3 转子偏心距测量系统及测量方法

5.4 实验数据及结果分析

5.4.1 模型A

5.4.2 模型B

5.5 结论和讨论

第6章 总结与展望

6.1 本文完成的主要工作

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目

附录一 :透平机转子偏心距检测装置的软件部分程序代码

附录二 :数据转换程序主功能源代码

附录三 :透平机实验数据