磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)剛度匹配機理的研究

潛艇在我國國防建設(shè)中具有重要的戰(zhàn)略意義，潛艇的靜音能力是衡量戰(zhàn)斗力的主要指標(biāo)之一，降低動力噪聲的主要手段是采用浮筏隔振技術(shù)，但浮筏隔振無法克服低頻減振能力差的難題。本項目提出磁懸浮作動器與浮筏結(jié)合使用的“磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)”，即在振源與受控對象之間增加能夠進(jìn)行主動控制的磁懸浮作動器，綜合利用浮筏隔振和磁懸浮作動器隔振的優(yōu)點，改進(jìn)隔振系統(tǒng)的隔振降噪效果，解決浮筏隔振無法對低頻振動進(jìn)行衰減的問題。 本項目通過理論與實驗相結(jié)合的方法，建立了基于剛度控制的磁懸浮作動器的理論模型和仿真模型，研究了影響其剛度變化的因素；根據(jù)理論研究和計算機仿真分析結(jié)果，完成了可變剛度電磁-空氣彈簧混合隔振器的分析設(shè)計，設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的氣磁主被動混合隔振器；綜合考慮空氣彈簧承載能力大和磁懸浮隔振器能夠抑制空氣彈簧低頻共振的特點，推導(dǎo)出了空氣彈簧剛度與磁懸浮隔振器位移剛度間的關(guān)系；研究了氣磁主被動混合隔振器的設(shè)計準(zhǔn)則；依據(jù)該設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行了實例設(shè)計；空氣彈簧和磁懸浮隔振器的剛度取不同值時，對氣磁主被動混合隔振系統(tǒng)的固有頻率和力傳遞率進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明增大磁懸浮隔振器剛度的絕對值或降低空氣彈簧的剛度值，可以達(dá)到更好的隔振效果。通過研究所獲得的空氣彈簧與磁懸浮隔振器間的剛度匹配策略和剛度設(shè)計準(zhǔn)則，是磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。 本項目研制了磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)實驗裝置，進(jìn)行了磁懸浮主動隔振系統(tǒng)模型辨識研究，研究了磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)控制方法，如自適應(yīng)前饋控制方法、H∞控制方法、模糊控制方法和LQR控制方法等。 本項目在磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)實驗裝置上采用自適應(yīng)前饋和H∞等控制方法開展了控制系統(tǒng)性能實驗研究，進(jìn)行了單激勵源單通道、多激勵源單通道和單激勵源多通道等控制實驗，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，實驗取得了明顯的減振效果。 上述研究工作為磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

潛艇在我國國防建設(shè)中具有重要的戰(zhàn)略意義，潛艇的靜音能力是衡量戰(zhàn)斗力的主要指標(biāo)之一，降低動力噪聲的主要手段是采用浮筏隔振技術(shù)，但浮筏隔振無法克服低頻減振能力差的難題，本項目提出引入磁懸浮作動器構(gòu)成磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)加以解決。傳統(tǒng)磁懸浮支承是進(jìn)行平衡位置控制，而磁懸浮作動器是進(jìn)行剛度阻尼調(diào)節(jié)，只有對基于剛度阻尼控制的磁懸浮作動器的相關(guān)問題進(jìn)行研究，才能將磁懸浮作動器與浮筏結(jié)合應(yīng)用于潛艇隔振系統(tǒng)中。本項目擬通過理論與實驗相結(jié)合的方法，探索磁懸浮支承技術(shù)在浮筏隔振應(yīng)用中引發(fā)的新問題，研究基于剛度控制的磁懸浮作動器模型的建立、研究磁懸浮作動器剛度阻尼對浮筏系統(tǒng)振動特性的影響、研究磁懸浮作動器與浮筏的剛度匹配規(guī)律、研究基于剛度匹配策略的磁懸浮作動器的控制方法，構(gòu)建磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)的設(shè)計理論與設(shè)計方法，為磁懸浮作動器應(yīng)用于隔振系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)，為提高我國潛艇聲隱身技術(shù)水平和國防事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

磁懸浮列車的原理并不深奧。它是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即“磁性懸浮”?？茖W(xué)家將“磁性懸浮”這種原理運用在鐵路運輸系統(tǒng)上，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車，時速可達(dá)幾百公里以上。這就是所謂的“磁懸浮列車”，亦稱之為“磁墊車”。

由于磁鐵有同性相斥和異性相吸兩種形式，故磁懸浮列車也有兩種相應(yīng)的形式：一種是 利用磁鐵同性相斥原理而設(shè)計的電磁運行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它利用車上超導(dǎo)體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈形成的磁場之間所產(chǎn)生的相斥力，使車體懸浮運行的鐵路；另一種則是利用磁鐵異性相吸原理而設(shè)計的電動力運行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它是在車體底部及兩側(cè)倒轉(zhuǎn)向上的頂部安裝磁 鐵，在T形導(dǎo)軌的上方和伸臂部分下方分別設(shè)反作用板和感應(yīng)鋼板，控制電磁鐵的電流，使電磁鐵和導(dǎo)軌間保持10—15毫米的間隙，并使導(dǎo)軌鋼板的排斥力與車輛的重力平衡，從而使車體懸浮于車道的導(dǎo)軌面上運行。 磁懸浮列車與當(dāng)今的高速列車相比，具有許多無可比擬的優(yōu)點： 由于磁懸浮列車是軌道上行駛，導(dǎo)軌與機車之間不存在任何實際的接觸，成為“無輪”狀態(tài)，故其幾乎沒有輪、軌之間的摩察，時速高達(dá)幾百公里； 磁懸浮列車可靠性大、維修簡便、成本低，其能源消耗僅是汽車的一半、飛機的四分之一； 噪音小，當(dāng)磁懸浮列車時速達(dá)300公里以上時，噪聲只有65.6分貝，僅相當(dāng)于一個人大聲地說話，比汽車駛過的聲音還??； 由于它以電為動力，在軌道沿線不會排放廢氣，無污染，是一種名副其實的綠色交通工具。2100433B

飛輪蓄能發(fā)電設(shè)備的旋轉(zhuǎn)摩擦損耗較大，為了減少旋轉(zhuǎn)摩擦損耗，所以一般都采用磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。磁軸承根據(jù)磁場性質(zhì)的不同主要分為被動磁懸浮軸承(PMB)和主動磁懸

浮軸承(AMB)兩種：

(a)被動磁懸浮軸承

被動磁懸浮軸承有代表性的是高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承。無源磁懸浮軸承磁場通常是不可控的。傳統(tǒng)的超導(dǎo)體無法滿足磁軸承的要求，但是自從高溫超導(dǎo)體Y(釔)系發(fā)現(xiàn)以來，制造高溫超導(dǎo)磁軸承成為可能。永久磁鐵安裝在飛輪上，高溫超導(dǎo)體安裝在底座上并用液氮冷卻，利用超導(dǎo)體的特性之一的Meissier效應(yīng)(超導(dǎo)抗磁性)。永久磁鐵的磁通被超導(dǎo)體阻擋而產(chǎn)生排斥力，使飛輪處于懸浮狀態(tài)。

(b)主動磁懸浮軸承

主動磁懸浮系統(tǒng)主要是電磁懸浮系統(tǒng)。電磁懸浮軸承系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器、控制系統(tǒng)、功率放大器組合而成。轉(zhuǎn)子位移變化的信號由傳感器測出，傳到控制器中，控制器計算后，輸出信號，經(jīng)過功率放大器的放大，輸入到電磁鐵，產(chǎn)生電磁力，從而保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。

基于磁懸浮技術(shù)、電機技術(shù)及機器人關(guān)節(jié)技術(shù)，提出并研制一種多自由度磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)。從理論上分析磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)既產(chǎn)生支承球形關(guān)節(jié)的徑向懸浮磁力，同時又產(chǎn)生驅(qū)動球形關(guān)節(jié)多自由度轉(zhuǎn)動的切向磁轉(zhuǎn)矩的工作機理。推導(dǎo)磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)產(chǎn)生的徑向懸浮力和任意自由度方向的切向磁轉(zhuǎn)矩公式，并通過簡易的模型實驗對關(guān)節(jié)進(jìn)行穩(wěn)定懸浮和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的實驗驗證。用有限元法分析方法計算磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)磁場各參數(shù)的分布規(guī)律和磁場間的耦合關(guān)系，對磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計主動關(guān)節(jié)的本體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本體結(jié)構(gòu)的特點，用空間轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析方法建立磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)的動力學(xué)耦合模型，設(shè)計系統(tǒng)的自檢測解耦控制系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)仿真優(yōu)化，為磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的原理論證和設(shè)計計算提供依據(jù)。最終制造出本體樣機，根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計和構(gòu)建自檢測解耦控制系統(tǒng)，并進(jìn)行磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的實驗。