畢業論文--混合型軸向磁懸浮軸承的參數設計與優化-資料下載頁

　　

【正文】 懸浮軸承中的磁路如圖 （ b） 所示。 （ a）軟磁材料與永磁材料 （ b）偏置磁場 圖 同極性全氣隙懸浮混合型軸向磁懸浮軸承的永磁材料與偏置磁場 由于永磁材料嵌于轉子鐵心內，增加了整個轉子的加工難度，降低了轉子的機第二章 混合型軸向磁懸浮軸承的工作原理與結構 20 械強度，且氣隙中的偏置磁場會受到轉子鐵心徑向位移的影響。為了克服這些缺點，在實際應用時通常將其設計為外轉子結構，但此時定子位于兩個轉子圓盤之間，給整個系統的加工與裝配帶來了困難。 混合型軸向磁懸浮軸承的工作原理 兩個徑向充磁的環形永磁體 (外 N 極內 S 極 )通過軸向磁極、主氣隙、轉子、副氣隙和導磁環形成閉合磁路 ,在磁懸浮軸承中建 立偏置磁場。偏置磁場的分布如圖 所示 圖 磁懸浮軸承中的偏置磁場 電磁線圈通入電流后 ,通過定子套筒、定子圓盤、軸向磁極、主氣隙和轉子形成閉合磁路 ,在磁懸浮軸承中建立控制磁場 ,通入電流的方向及與之相對應的控制磁場的分布如圖 。 圖 磁懸浮軸承中的控制磁場 由上面偏置磁場與控制磁場方向和分布可知 ,在主氣隙的上氣隙中 ,偏置磁場和控制磁場方向一致 ,磁場增強 。在主氣隙的下氣隙中 ,偏置磁場和控制磁場的方向相反 ,磁場減弱 ,則轉子受到的合力向上 ,同理 ,若電磁線圈中通入的電流方向與圖中所示相反 ,則轉子受到的合力向下。 假設轉子是質量為 m kg 的整體鋼盤，當處于平衡位置時，左右氣隙相等，南京工業大學本科生畢業設計（論文） 21 均等于 0g 。由于結構對稱且參數相同，永久磁鐵產生的磁通在轉子左面氣隙 1G處和右面氣隙 2G 處是相等的，此時左右吸力相等。根據磁場力與磁通的關系可得 GGGGGG SSFF02 202 121 22 ???? ??? （ 1） 式中， 1GF 、 2GF 分別為轉子左、右面受到的電磁吸力； 1G? 、 2G? 分別為左右氣隙處永磁鐵產生的偏置磁通； c? 勵磁繞組產生的磁通； GS 是軸向磁極面積； 0?為空氣磁 導率。 如果平衡位置時轉子受到一個向右的外擾力，轉子就會偏離平衡位置向右運動，造成永磁鐵產生的左右氣隙磁通變化，即左面的氣隙增大，使 1G? 減少；右面的氣隙減少，使磁通 2G? 增加。在沒有產生勵磁磁通 c? 之前，由于 21 GG ?? ? ，故 21 GG FF ? ，此時傳感器檢測出轉子偏離其參考位置的位移量，控制器將 這一位移信號轉變成控制信號，功率放大器又將此控制信號變換成控制電流 i ,這個電流流經電磁鐵線圈繞組使鐵芯內產生一電磁磁通 c? ，在轉子左面勵磁磁通與永磁磁通流向相同，與永磁磁通 1G? 疊加，使氣隙 1G 處總的磁通增加，由原來的 1G? 變成 cG ?? ?1 ；勵磁磁通 c? 在右面氣隙 2G 處，由于與永磁磁通 2G? 流向相反，故在 2G 處總磁通量減少為 cG ?? ?2 。當滿足 2 12 GGc ??? ??時，左右氣隙處產生的吸力就滿足 21 GG FF ? ，使得轉子重新回到原來的平衡位置。如 果轉子受到一個向左的外擾力，用這種方法進行分析，可以得到類似結論。 圖 軸向混合磁軸承工作原理 22 第三章 混合型軸向磁懸浮軸承的參數設計與優化 混合型軸向磁懸浮軸承能夠實現轉軸軸向位移的主動控制，將它與兩個被動型徑向磁懸浮軸承組合可實現轉軸的五自由度懸浮，這種磁懸浮軸承系統只需要一個位移傳感器，一套控制器與功率放大器，具有成本低、結構簡單、功耗小的優點，因此混合型軸向磁懸浮軸承具有較高的研究價值與應用價值。 本節以前面提出的參數設計與優化方法為基礎，對圖 （ a）所示的同極性全氣隙懸浮混合型 軸向磁懸浮軸承參數的設計與優化進行了深入研究，以最大懸浮力為設計目標，以軟磁材料內部磁場磁通密度不飽和為約束條件，以體積最小為優化目標，推導出了其軟磁材料、永磁材料以及軸向控制繞組參數的設計與優化公式。 等效磁路法 磁路和磁路定律 如果把鐵心組成一個閉合的回路，則絕大部分磁力線集中在閉路鐵心中，泄漏到空間的磁力線很少。不管螺線管中有無鐵心，磁力線所經過的路徑，我們稱之為磁路。同樣地，磁力線的大部分通過軟磁體和永磁體構成的回路，這樣的回路也是一個磁路。廣義地說，磁通量所通過的磁介質的路徑叫做磁路。 式mmRFI? 即為磁路的歐姆定律，即磁通的大小與磁動勢 mF 成正比，與磁阻 mR 成反比。 和電路的情況相似，在磁路中也存在有基爾霍夫定律。在磁路中基爾霍夫第一定律，即磁通的連續性原理可表達為 0??? 上式表示在磁路中任一節點處，進入該處的磁通與離開的磁通的代數和等于零。即流入該處的此通之和等于離開該處的諸磁通之和。因此，磁路的基爾霍夫第一定律又稱為磁通連續定律。 凡是電磁感應或永磁體組成磁路的能量轉換系統都可稱為磁系統。磁系統形式多種多樣，但是它們的作用原理和主要組成部分卻是相似的。磁系統的種類很多，可按激磁方式（永磁、交流、直流），可動部分的運動方式，磁路結構南京工業大學本科生畢業設計（論文） 23 （開路、閉路、內磁式、外磁式）等等分類。 以永磁體作磁源的磁路為永磁磁路。永磁體的矯頑力高，一旦被磁化，在除去外磁場后，還能對外產生較強的恒定磁場。電磁磁路又稱為電磁路，它靠激活線圈以激磁電流而獲得一個磁場，該磁場的存在把線圈中的介質（如鐵心、空氣）磁化，把激磁線圈（包括鐵心 等）比作永磁體，同樣能構成各種形式的磁路。 等效磁路理論是一種較為簡便和直觀的磁場計算方法，能夠方便快捷的確定磁場的相關結構參數。對于工程應用而言，利用等效磁路設計磁場，就將磁場的計算轉化為磁路的計算，即將分布參數問題轉化為集中參數的計算，在簡化計算的同時又可以保證一定的精度，具有很強的實用意義。混合磁軸承中由于永磁體的引入，其磁路設計變為兩部分：永磁磁路設計與電磁參數設計。永磁體的計算較為繁瑣，由于永磁體尺寸未知使得磁路計算參數未定，在計算中需要進行設定和不斷的修正，直至最后結果相符。磁路設計的任務就是根 據所要求的一些性能指標，例如給定的磁軸承剛度、承載力或靜態氣隙磁場等要求，確定永磁體與磁路的結構尺寸，同時給出控制電磁線圈的相關電磁結構參數，并計算出控制模型參數和一些相關的系統性能指標，還要檢驗轉子在運動的各個位置，磁路結構的有效性，即磁路中各部分導磁材料不能磁飽和。針對設計的永磁偏置兩軸型磁軸承，總結設計的過程與步驟，給出了一種基于等效磁路理論的混合磁軸承工程設計方法。 部件劃分 根據圖 （ b）及圖 （ b）所示的混合型軸向磁懸浮軸承中軸向控制磁場及偏置磁場的分布，將其劃分為圖 所示 的幾個部件 。 23 4 5 6 7 8 1外軸向磁極 2定子圓盤 3軸向控制繞組 4內軸向磁極 5轉軸 6內轉子鐵心 7永磁材料 8外轉子鐵心圖 混合型軸向磁懸浮軸承部件 第三章 混合型軸向磁懸浮軸承的參數設計與優化 24 圖 混合型軸向磁懸浮軸承部件 已知參數和設計目標 參數設計前的已知參數與設計目標如表 所示。 表 混合型軸向磁懸浮軸承已知參數與設計目標 已知參數 名稱 符號 數值 軸向氣隙長度 ga 轉子鐵心內徑 Drti 20mm 永磁材料剩余磁通密度 Br 永磁材料矯頑力 Hc 900kA/m 漆包線裸線線徑 db 漆包線漆膜厚度 qm 軟磁材料飽和磁通密度 Bs 最大控制電流 Imax 3A 電流密度 Js 4A/mm2 設計目標 名稱 符號 數值 軸向最大懸浮力 Fa 800N 磁懸浮軸承內部磁場磁密最大值 Bmax 永磁材料工作點 （ Bmg, Hmg） （ , 450kA/m） 參數設計與優化流程 混合型軸向磁懸浮軸承參數的設計與優化流程如圖 所示。 南京工業大學本科生畢業設計（論文） 25： cagba gaag BB FμS ?? ?? 2 0 （ 31） 式中， Bbag 為軸向氣隙中偏置磁場的磁通密度， Bcag 為軸向氣隙中軸向控制磁場的磁通密度。由于內、外軸向氣隙在磁路中為串聯關系，因此要獲得磁場的總磁通量，必須計算出內軸向氣隙或外軸向氣隙的面積。 由于結構上的原因，偏置磁場的內、外軸向氣隙漏磁系數 σbagi、 σbago 不相同，第三章 混合型軸向磁懸浮軸承的參數設計與優化 26 其大小主要受到永磁材料位置的影響；軸向控制磁場的內、外軸向氣隙漏磁系數σcagi、 σcago 也不相同，但其大小受永磁材料位置的影響較小，以上結論在磁場的有限元仿真中也得到了驗證。 因此，應首先根據軸向控制磁場的內、外軸向氣隙漏磁系數來分配內、外軸向氣隙面積，以保證內、外軸向氣隙中軸向控制磁場的磁通密度相等。內、外軸向氣隙中軸向控制磁場的磁通密度 Bcagi、 Bcago 分別為： agicagicacagi Sσ ΦB ?? （ 32） ag ocagocacago Sσ ΦB ?? （ 33） 式中， Φca 為軸向控制磁場總磁通量， Sagi 為內軸向氣隙面積， Sago 為外軸向氣隙面積。要使內、外軸向氣隙中軸向控制磁場的磁通密度相等，則需要滿足： c ag ic ag oagoagiagoc ag ocaagic ag ica σσSSSσ ΦSσ Φ ????? （ 34） 根據軸向氣隙總面積，可得內、外軸向氣隙面積分別為： agc a g oc a g i c a g oagi Sσσ σS ??? （ 35） agc a g oc a g i c a g iago Sσσ σS ??? （ 36） 則軸向控制繞組通入最大電流后產生的軸向控制磁場總磁通量為： agoc a gc a g oagic a gc a g ica SBσSBσΦ ?????? （ 37） 內、外軸向氣隙中偏置磁場的磁通密度 Bbagi、 Bbago 分別為 agibagibbagi Sσ ??? 50 （ 38） ag oba gobba go Sσ ??? 50 （ 39） 式中， Φb 為偏置磁場總磁通量。要使內、外軸向氣隙中偏置磁場的磁通密度相等，則應調整永磁材料在轉子鐵心上的位置，使偏置磁場的內、外軸向氣隙漏磁系數滿足： ca g oca g iagiagob a g ob a g i σσSSσσ ?? （ 310） 則永磁材料產生的偏置磁場總磁通量為： a g ob a gb a g oa g ib a gb a g ib SBσSBσΦ ?????? （ 311） 南京工業大學本科生畢業設計（論文） 27 軸向控制繞組參數的設計 該混合型軸向磁懸浮軸承共有兩套控制繞組，四個軸向氣隙在軸向控制磁場的磁路中呈串聯關系。采用有限元法 獲得軸向控制磁場的磁阻系數 fca，根據圖 所示的控制繞組參數設計流程，可得軸向控制繞組的匝數 Na、每匝軸向控制繞組的并繞根數 Nat 以及軸向控制繞組的截面積 Sac。 作為混合型軸向磁懸浮軸承中的一個部件，軸向控制繞組的其他相關參數還有：內徑 Daci、外徑 Daco、軸向厚度 Tac。根據幾何關系，軸向控制繞組內徑等于內軸向磁極外徑， 根據軸向控制繞組的截面積可得軸向控制繞組的軸向厚度為： aciacoacac DD ST ??? 2 （ 312） 內軸向磁極參數的設計 內軸向磁極的相關參數有：內徑 Dapii，外徑 Dapio，軸向長度 Lapi。取內軸向磁極內徑等于轉子鐵心內徑，根據幾何關系，內軸向磁極的軸向長度為： acspapi TTL ?? （ 313） 式中， Tsp 為定子圓盤的軸向厚度。 根據內軸向氣隙面積可得內軸向磁極外徑為： 24 ap iiagiap io DπSD ??? （ 314） 定子圓盤參數的設計 定子圓盤 的相關參數有：內徑 Dspi，外徑 Dspo，軸向厚度 Tsp。根據幾何關系，定子圓盤內徑等于內軸向磁極外徑，定子圓盤外徑等于軸向控制繞組外徑。 定子圓盤中既存在偏置磁場，又存在軸向控制磁場，取其內徑截面為關鍵截