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)磁懸浮支承是進行平衡位置控制，而磁懸浮作動器是進行剛度阻尼調(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。

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”。科學(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)，并進行磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的實驗。