Magnetic Bearings and Bearingless Drives pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Butterworth-Heinemann

作者:Chiba, Akira/ Fukao, Tadashi/ Ichikawa, Osamu/ Oshima, Masahide/ Takemoto, Masatsugu/ Dorrell, David

出品人:

页数:400

译者:

出版时间:2005-5

价格:$ 133.34

装帧:HRD

isbn号码:9780750657273

丛书系列:

图书标签:

• 磁轴承
• 无轴承驱动
• 主动磁轴承
• 磁悬浮
• 旋转机械
• 控制系统
• 电机驱动
• 电力电子
• 振动分析
• 精密制造

悬浮与驱动的边界：精密机械系统的动力学与控制 本书聚焦于现代机械工程领域中，对无接触支撑技术——磁轴承，以及由此衍生出的无轴承驱动技术——磁驱动器的深入研究、设计与实际应用。本书旨在为机械、电子、控制工程等相关领域的科研人员、工程师和高级学生提供一套全面、系统且具有实践指导意义的知识框架，以应对高精度、高转速、高可靠性要求的复杂机械系统挑战。 --- 第一部分：磁轴承系统的基础理论与设计原理 (Fundamental Theory and Design Principles of Magnetic Bearings) 第一章：现代精密机械对支撑系统的挑战 本章首先回顾了传统滚动轴承和滑动轴承在极端工况（如超高真空、超高速、高温或无润滑环境）下的固有局限性。我们将探讨这些限制如何阻碍了航空航天、精密机床、涡轮机械等尖端领域的发展。在此基础上，引入磁轴承作为实现完全无接触、无磨损、可主动控制支撑力的理想解决方案的必要性。 第二章：电磁学基础与磁力发生机理 详细阐述了实现磁悬浮所需的电磁理论基础。内容涵盖洛伦兹力、麦克斯韦方程组在轴承系统中的应用。重点分析了永磁体（PM）与电磁体（EM）的组合设计，包括径向（RMB）和轴向（AMB）磁轴承的基本结构。本章将深入探讨磁路设计中的漏磁、饱和效应以及如何通过优化线圈布局和铁芯几何形状来最大化承载能力并最小化功耗。 第三章：磁轴承的动力学建模与线性化分析 精确的动力学模型是控制系统的基石。本章将导出门-弹簧-阻尼（M-K-D）模型的建立过程，并针对不同类型磁轴承（如五自由度（5-DOF）或六自由度（6-DOF）系统）建立其非线性微分方程组。随后，我们将讨论如何在工作点附近对这些非线性系统进行泰勒级数展开，获得系统的线性化状态空间模型，这是设计经典PID控制器的前提。 第四章：磁轴承的关键材料选择与制造工艺 材料科学在磁轴承性能中扮演着决定性角色。本章对比分析了高导磁率软磁材料（如坡莫合金、硅钢片）和高能永磁材料（如钕铁硼、钐钴）的性能指标。详细介绍磁轴承定子和转子的精密制造技术，包括叠片冲压、激光切割、真空钎焊以及线圈的精密绕制与绝缘工艺。同时，探讨了制造公差对轴承动态特性的影响及补偿方法。 --- 第二部分：主动控制系统与性能优化 (Active Control Systems and Performance Optimization) 第五章：磁轴承的传感器技术与信号处理 无接触支撑要求高精度的实时位移测量。本章系统梳理了非接触式位移传感器技术，包括电涡流传感器、电容式传感器和激光位移传感器的工作原理、分辨率、带宽与抗干扰能力。重点讨论了传感器信号的采集、滤波（如卡尔曼滤波在抑制高频噪声中的应用）以及模数转换（ADC）过程中的关键参数选择。 第六章：经典控制方法在磁轴承中的应用 本章详细讲解了磁轴承控制器的设计，这是实现稳定悬浮的核心。从最基础的比例-积分-微分（PID）控制器开始，分析其参数整定方法（如Ziegler-Nichols法在磁轴承系统中的适应性调整）。随后，讨论了串级控制结构（内环电流控制、外环位移控制）的优势，以及如何通过相位裕度和增益裕度分析来保证系统的稳定性和鲁棒性。 第七章：现代先进控制策略与鲁棒性设计 为应对系统非线性和外部扰动，本章深入探讨了先进控制理论在磁轴承中的应用。内容涵盖： 1. LQR/LQG控制： 基于状态空间最优化的控制器设计，用于同时优化性能指标（如功耗、振动抑制）和系统稳定性。 2. 滑模控制（SMC）： 针对强非线性和外部干扰的鲁棒控制方法，探讨如何设计切换函数以避免高频抖振。 3. 自适应控制： 当系统参数（如转子质量、外部负载）发生变化时，控制器如何在线调整以保持性能。 第八章：磁轴承系统的辨识与参数估计 在实际应用中，精确的系统参数往往未知或随工况变化。本章介绍系统辨识技术，用于从实验数据中估计出磁刚度系数、阻尼系数、以及转子质量等关键参数。详细阐述了基于激励信号（如伪随机二进制序列）的在线辨识算法，并评估了估计误差对控制器性能的影响。 --- 第三部分：无轴承驱动技术与集成系统 (Bearingless Drive Technology and Integrated Systems) 第九章：无轴承电机（Bearingless Motor）的原理与结构 无轴承电机是将磁轴承功能与驱动功能集成于一体的创新技术。本章详细分析了两种主要的无轴承电机结构： 1. 径向支撑与扭矩产生分离式结构： 分别布置悬浮绕组和驱动绕组。 2. 集成式结构（如四/六极结构）： 利用同一组绕组同时产生径向支撑力和扭矩。 重点解析了磁耦合效应，即悬浮力控制与扭矩控制之间的相互影响，这是设计集成系统最大的技术难点。 第十章：磁驱动系统的多变量解耦控制 驱动与支撑的耦合性使得无轴承电机需要复杂的解耦控制策略。本章提出并分析了多种解耦方法： 1. 反馈线性化解耦： 通过非线性反馈将耦合系统转化为解耦的线性系统。 2. 基于模型的动态逆解耦： 利用系统模型推导所需的独立控制力矩和支撑力矩。 3. H∞或$H_2$混合控制： 在保证系统稳定性的前提下，优化对外部负载变化的抑制效果。 第十一章：高速大功率磁驱动系统的热管理与可靠性 在大功率、高转速（如数十万转/分钟）运行条件下，电机的热负荷和机械应力急剧增加。本章讨论了电机绕组和电子功率器件的散热设计（包括液体冷却和强制风冷）。此外，分析了高速旋转系统中轴承失稳（如涡流失稳、涡流振动）的临界条件，并提出了预防性的控制措施。 第十二章：磁轴承与磁驱动的工程应用案例分析 本章通过具体的工程案例展示磁轴承和磁驱动技术的实用价值： 真空涡轮分子泵： 实现超高真空环境下的无油润滑运行。 高速压缩机与透平机： 提升系统效率，拓宽运行转速范围。 精密加工设备： 在半导体制造和光学元件加工中实现微米级乃至纳米级的定位精度。 能源存储系统（飞轮储能）： 确保储能单元在长时间待机和高速充放电过程中的稳定性。 --- 结论： 本书不仅提供了磁轴承和磁驱动系统的理论基础和控制算法，更强调了跨学科知识的融合，即电磁学、机械动力学和现代控制理论的有效结合。读者将能够掌握从系统建模、控制器设计到实际系统集成的全流程工程技能。

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