This paper develops the theory for a fault-tolerant, permanent magnet biased, homopolar magnetic bearing. If some of the coils or power amplifiers suddenly fail, the remaining coil currents change via a novel distribution matrix such that the same magnetic forces are maintained before and after failure. Lagrange multiplier optimization with equality constraints is utilized to calculate the optimal distribution matrix that maximizes the load capacity of the failed bearing. Some numerical examples of distribution matrices are provided to illustrate the theory. Simulations show that very much the same dynamic responses (orbits or displacements) are maintained throughout failure events (up to any combination of 3 coils failed for the 6 pole magnetic bearing) while currents and fluxes change significantly. The overall load capacity of the bearing actuator is reduced as coils fail. The same magnetic forces are then preserved up to the load capacity of the failed.
Optimal control systems for a radial magnetic bearing are proposed and tested. An electromagnet system model is developed to predict bearing forces as functions of changing coil currents and rotor position. Models of the multi-mass rotor supported by the magnetic bearings are developed and confirmed, and theoretical relationships are expressed in the form of state equation. As a result of computer simulation, the state feedback with optimal procedure is considered to be more effective for magnetic bearing systems than the classical method.
This paper introduces a Lorentz force type four-pole self-bearing motor, where the new pole arrangement of a stator is intended to function both as a synchronous PM motor and as a magnetic bearing. The Lorentz force type has some good points such as linearity of control force, freedom from flux saturation, and high efficiency unlike conventional self-bearing motors. Mathematical expressions of torque and radial force are derived to show that they can be separately controlled regardless of rotational speed and time. To verify the proposed theory, a prototype is made, where a ring-shape outer is actively controlled in two radial directions while the other motions are passively stable supposing the radial stability. Through some experiments, it is shown that the proposed scheme can provide high capability and feasibility for a small high-speed self-bearing motor.
Most of rotating machineries supported by contact bearing accompany lowering efficiency, vibration and wear. Moreover, because of vibration, which is occurred in rotating shaft, they have the limits of driving speed and precision. The rotor system has parametric variations or external disturbances such as mass unbalance variations in long operation. Therefore, it is necessary to research about magnetic bearing, which is able to support the shaft without mechanical contact and to control rotor vibration without being affected by external disturbances or parametric changes. Magnetic bearing system in the paper is composed of position sensor, digital controller, actuating amplifier and electromagnet. This paper applied the robust control method using quantitative feedback theory (QFT) to control the magnetic bearing. It also proposed design skill of optimal controller, in case the system has structured uncertainty, unstructured uncertainty and disturbance. Reduction of vibration is verified at critical rotating speed even external disturbance exists. Unbalance response, a serious problem in rotating machinery, is improved by magnetic bearing using QFT algorithm.
This paper introduces a new active magnetic bearing(AMB) that can provide both radial and axial control functions in one bearing unit without axial disk. It has a structure of double four-pole AMB or a four-pole AMB where each core is split into two axially. The cores have two kinds of coil winding; they independently generate fluxes on the planes perpendicular or parallel to the shaft. For the radial control action, it works just like a conventional four-pole AMB. Meanwhile, for the axial control, it uses the Lorentz force generated by the interaction of the bias flux for radial control and the axial control flux. In this paper, the proposed structure, principle, and design process based on magnetic flux analysis are introduced, and its feasibility is experimentally verified by using a simple PD control algorithm with a feedforward loop to compensate the coupled flux effect.
In this paper, a new compact active magnetic bearing(AMB) is proposed in which radial and axial bearings are integrated in one bearing unit. It consists of four U-shaped cores circumferentially connected by yokes and two-layer coils for radial and axial controls. For the radial control action, it has the same principle as conventional homopolar AMBs, while for the axial control, it uses the Lorentz force generated by the interaction of the bias flux for radial control and the axial control flux. The proposed structure makes it easy to design a compact AMB because it has no disk for axial control. This paper introduces the proposed structure, principle, and design process based on the magnetic flux analysis. By using a control algorithm with feedforward action to compensate the coupled flux effect, the feasibility of the proposed AMB is experimentally verified.
In this paper, we propose a precise linear motion stage supported by magnetically preloaded air bearings. The eight aerostatic bearings with rectangular carbon porous pads were located only one side of vertical direction under the platen where four bearings are in both sides of horizontal direction as wrap-around-design, and this gives simpler configuration than which constrained by air bearings for all direction. Each of the magnetic actuators has a permanent magnet generating static magnetic flux far required preload and a coil to perturb the magnetic farce resulting adjustment of air- bearing clearance. The characteristics of porous aerostatic bearing are analyzed by numerical analysis, and analytic magnetic circuit model is driven for magnetic actuator to calculate preload and variation of force due to current. A 1-axis linear stage motorized with a coreless linear motor and a linear encoder was designed and built to verify this design concept. The load capacity, stiffness and preload force were examined and compared with analysis. With the active magnetic preloading actuators controlled with DSP board and PWM power amplifiers, the active on-line adjusting tests about the vertical, pitching and rolling motion were performed. It was shown that motion control far three DOF motions were linear and independent after calibration of the control gains.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제34권1호
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pp.92-101
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2010
본 연구에서는 회전체를 지지하는 자기 베어링에 관하여, 2장에서는 적분형 서보계를 이용하여 횡축형 자기베어링 시스템(Horizontal-shaft Magnetic Bearing System: HMBS)에 대한 불확실성을 고려하면서 과도상태 응답개선에 대한 이론적인 고찰과 제어기설계 수식을 유도한다. 그리고 HMBS에 대해 물리 퍼래미터 변동에 대한 강인성과 외란의 영향을 저감하고 기준위치 변경에 따른 추종성을 갖도록 상태 피드백 제어기를 LMI 기법을 이용하여 설계한다. 3장에서는 설계한 제어칙을 가지고 시스템 불확실성의 변동에 대해 시간영역의 설계사양을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우에 대하여 시뮬레이션을 행하고 실제 적용 가능성을 검토한다.
Magnetic bearing is the machine element that supports the shaft without mechanical contact using the magnetic force induced by permanent magnet of electromagnet. Active magnetic bearing system is composed of sensor, controller, power amplifier, and electromagnet. If all the elements were dieal, shaft position could be controlled to sensor resolution, Because each elements inreal system have mechanical and electricla losses and nonlinearity, it is impossible to attain the desired performance using general control algorithm. So far it has been studied on improvement of the control algorithm of the electric characteristics of each elements. Another factors to affect shaft behavior are the manufacturing errors due to machine work, and assembling errors due to accumulate manufacturing errors of the radial magnetic bearing. This paper describes that the shaft behavior due to accumulate manufacturing errors and asymmetric bolting. This paper describes that the shaft behavior due to assembling errors of the radial bearings donot affect the rotaitonal accuracy of the shaft. But when the amplitude of the assembling errors increasees over the certain value, the bearing can not support the shaft properly.
A hybrid self-hearing motor, which Is a functional combination of general permanent magnet (PM) motor and hybrid active magnetic bearing(AMB), was proposed a few years ago. In this paper the hybrid self-bearing motor is modified to a disk type, in which one of two magnetic hearings was substituted for a thin yoke to make the system more compact. An outer rotors in this self-hearing motor is actively controlled only in two radial directions while the ocher motions are passively salable owing to the disk-type structure. Main advantages of the proposed self-hearing motor are simple control mechanism, low power consumption and smart structure. Mathematical model for the magnetic force Is built wish consideration of the radial displacement of the rotor. The model helps us not only to design a levitation controller but also to expect the system performance. Some experimental results show good capability and feasibility of the Proposed self-bearing motor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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