高速转子用电磁偏置型径向磁悬浮轴承设计毕业论文
2020-04-15 21:23:27
摘 要
在掌握电磁偏置型径向磁悬浮轴承工作原理的基础上，针对某一种拓扑结构的电磁偏置型径向磁悬浮轴承，以磁路法为基础，并以体积最小为优化目标，推导出参数优化设计公式利用有限元分析软件对设计结果进行仿真研究。
关键词：电磁轴承 径向 优化
Abstract
On the basis of mastering the working principle of electromagnetically biased radial magnetic suspension bearing, the electromagnetic bias type radial magnetic suspension bearing of a certain topological structure is based on the magnetic circuit method, and the minimum volume is used as the optimization target to derive the parameters. The optimal design formula is simulated by finite element analysis software。
Keywords:Electromagnetic；bearingRadial；optimization
目录
摘要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1引言 1
1.2磁轴承的发展历史 1
1.3磁悬浮轴承的类型 3
1.4电磁轴承的特点 4
1.5课题的研究现状、内容 5
1.5.1课题的研究现状 5
1.5.2课题的研究内容 5
1.6本章小结 6
第二章磁悬浮的电磁分析 7
2.1电磁场理论分析 7
2.1.1磁悬浮轴承的麦克斯韦方程组 7
2.1.2磁悬浮轴承的边界条件 8
2.2基于有限元法的电磁场分析 9
2.2.1电磁轴承FEM理论 9
2.2.2介绍ANSYS 软件 11
2.3径向磁悬浮轴承的电磁场的计算与分析 12
2.3.1物理模型 12
2.3.2设定材料 13
2.3.3设定源和边界条件 13
2.3.4分析结果 14
2.4本章小结 17
第三章电磁偏置型径向磁悬浮轴承的结构参数 18
3.1结构形式的选择 18
3.2定子的磁极个数 18
3.3铁心材料 19
3.4电磁偏置型径向磁悬浮轴承定子线圈槽形 20
3.5定子结构参数 21
3.6电磁偏置型径向磁悬浮轴承定子的温升 30
3.7磁路的计算 33
3.8本章小结 34
第四章有限元仿真分析 35
4.1电磁偏置型径向磁悬浮轴承优化模型的建立 35
4.3软件实行过程 37
4.4本章小结 42
第五章总结 43
参考文献 45
致谢 46
第一章绪论
1.1引言
现在无论在我们的生活还是工业生产中，电机的应用非常普遍。电机运转时转子转速在10000r/min以上称为高速电机，由于高速电机比传统电机具有更高的功率密度、更小的体积、更小的噪声以及更快的动态响应等优点，在机械工业和国防工业等方面应用十分广泛。而磁轴承的无接触特性，使得转子可以在很高的转速下运转，其无润滑、低轴承损耗的优势可以使设备具有更低的维护成本和更长的使用寿命。
1.2磁轴承的发展历史
表1-1 国外磁轴承的发展概况：
时间 | 事件 |
1842年 | 英国科学家恩休证明了静态磁体不能在重力场和固定磁场中保持自由、稳定的悬浮状态，并提出了基于麦克斯韦方程的磁力支承的概念。 |
1937年 | 肯珀提出了只有当电磁力大小随所支撑物体的位置不断变化时，才能实现支撑物体的稳定悬浮，同时肯珀申请了有关磁悬浮支承的专利，专利中提出利用磁悬浮技术设计新型交通工具。 |
1957年 | 法国Hispano在磁悬浮轴承中运用传感器技术，使得磁悬浮轴承的悬浮力可以随着轴承转子位置变化而变化。 |
1977年 | S2M 公司开发了世界上第一台高速机床用的磁悬浮主轴。 |
1984 年 | NTN 东洋轴承公司推出了高速铣削电磁轴承主轴、超高速磨削主轴部件，并有已标准化径向电磁轴承和轴向电磁轴承产品。 |
1995 年 | 瑞士 IBAG 公司研制的铣削电主轴产品，转速为 40 kr /min，持续运行功率 30 kW，最大功率 40 kW，已正式在一些国家投入工业生产。 |
2002 年 | 德国 Darmsdat 工业大学机电研究所成功研制出了主动磁轴承电主轴，转速达到 120 kr /min。 |
2006 年 | 日本 Ebara 公司展示了其研制的 480 摄氏度的高温磁悬浮轴承。 |
2014年 | Mizuno T，Ishino Y，Takasaki M针对用于磁力无线泵中的磁轴承进行研究，并设计了一种磁轴承，研究表明采用所设计的磁轴承可使磁力无线泵的转矩明显提高，且转矩的变化量有所降低，提高了磁力无线泵的悬浮及运行性能。 |
表1-2 国内磁轴承的发展概况：
时间 | 事件 |
1982 年 | 清华大学的张祖明、温诗铸就小钢球的单自由度磁悬浮进行了理论分析和实验研究。 |
1983年 | 上海微电机研究所研制了我国第一台全悬浮磁力轴承样机。 |
1994 年 | 西安交通大学成功研制转速高达 24 kr /min 的五自由度磁悬浮电主轴样机，实现了国内磁悬浮支承技术方面零的突破。 |
2000 年 | 清华大学与无锡开源机床集团实现了内圆磨床磁力轴承电主轴的工厂应用实验。 |
2006 年 | 国内首家从事磁力轴承产品研发和推广的专业公司飞旋科技公司成立，并于研发出国内首个拥有自主知识产权、转子转速达 23 000 ～ 27 000 r /min 的基于交叉反馈控制的 FS450 型分子泵磁轴承。 |
2009 年 | 山东大学自主成功研制了采用磁悬浮自调桨距技术的垂直轴风力发电机，已应用在济南南部山区仲宫金刚纂村的路灯上。 |
2012 年 | 南京航空航天大学设计了径向悬浮力 400 N的异极性永磁偏置径向磁轴承，其悬浮性能优良，为其它型永磁偏置磁轴承的研究奠定了基础。 |
2016 年 | 杨雷、杨国军和时振刚专门针对磁轴承系统中的辅助轴承进行研究，提出一种拟静力学分析方法对磁轴承氦风机辅助轴承抗冲击特性进行研究，计算了立式转子跌落的冲击作用力及变形量。 |
1.3磁悬浮轴承的类型
表1-3 磁悬浮轴承的类型
磁悬浮轴承的类型 （按照磁场的产生方法分类） | 永磁型磁悬浮轴承 |
电磁偏置型磁悬浮轴承 | |
混合磁型磁悬浮轴承 |
表1-4 磁悬浮轴承的特点：
磁悬浮轴承的类型 | 特点 |
永磁型磁悬浮轴承 | 通过磁性材料之间固有的斥力或吸力（如永磁材料之间，永磁材料与软磁材料之间）来实现对转子部分或全部自由度的被动支撑。其功率损耗少，结构简单，但阻尼与刚度有相对较小。 |
电磁偏置型磁悬浮轴承 | 又称电磁型磁悬浮轴承，主要利用电磁铁和铁磁材料之间的吸力实现转子的无接触悬浮，一套完整的磁轴承通常由转子、位移传感器、控制器、功率放大器、定子组成，转子一方面受到重力作用，另一方面还受到可控电磁力的作用，动态电磁力依据转子位置的变化而不断地得到调整，从而使转子始终稳定地悬浮在平衡位置附近。而本课题就是对电磁偏置型磁悬浮轴承的设计。 |
混合磁型磁悬浮轴承 | 又称电磁永磁混合型磁悬浮轴承或永磁偏置的混合型磁轴承（简称永磁偏置磁轴承），利用永久磁铁产生的磁场取代主动磁悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，控制线圈产生控制磁场。 |
1.4电磁轴承的特点
由于电磁轴承具有总多的优势，才能在众多领域应用广泛，不过其还在发展阶段，也存在它的不足。
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