液质悬浮三自由度电机多物理场耦合分析及润滑特性研究

摘要

液质悬浮三自由度电机是一种结构新颖、高效环保、高度集成与小型化的多自由度运动的机电能量转换装置。该电机考虑液质悬浮机理，采用润滑支撑结构，在流体动力润滑条件下，定子与转子间隙内形成一层动压油膜，使定转子隔离，并支撑负载，由机械摩擦转化为液体摩擦，大大简化了庞杂的机械结构，具有广泛的应用前景。但目前该类电机的电磁理论分析、润滑理论分析及实验尚处于探索阶段，需要深入的研究，本文研究的主要内容归纳如下: 首先，介绍了新型电机的结构和工作原理，建立了电机的三维模型，计算得到了永磁体磁场、气隙磁场、通电线圈内部和外部磁场分布情况;基于电磁场理论分析，以电机的电磁结构作为研究对象展开分析。电机的定子线圈通电后发热，使电机获得温升，温度分布进而带来热应力分布，利用电机磁、热、固顺序耦合的仿真计算，得到了电磁结构的温升，位移和应力应变分布。 其次，考虑液质悬浮机理的新型电机结构特殊，较难用直角坐标系和柱坐标系的润滑理论直接应用于这类球面轴承的电机。本文建立适用于永磁球形电机润滑理论分析的数学物理模型，推导出球坐标系下适用于球面轴承润滑的Reynolds方程和油膜厚度方程并运用有限差分法和MATLAB编程对方程进行数值求解;利用控制变量法分析了不同参数对电机润滑性能的影响;构建了润滑油黏温实验平台，获取了粘度和测试温度与运转时间的关系。 第三，为了深入研究考虑空穴现象时油膜压力分布以及球面轴承实际变形的影响，运用多物理场耦合仿真计算，实现了球面轴承的气液两相流现象模拟和流固耦合分析;研究了有无空化效应时，球面轴承的油膜压力的变化;计算得到了不同转速时油膜压力分布和气相体积分数分布情况;并搭建了球面转子不同转速下的油膜压力试验平台。 第四，利用控制变量法分析了多个变量对球面轴承位移、应力应变等力学性能的影响，同时对球面轴承结构进行了改进，设计出一种新型带槽球面轴承，在定子球壳内表面设有螺旋形或环形凹槽，然后建立了螺旋槽和环形槽轴承模型，对不同槽数目和槽半径的轴承进行结构静力分析，通过对比选取最优越的带槽球面轴承。 最后，提出了一种用于模拟球面转子在液体中旋转运动的装置。采用“旋转机械，湍流κ-ε”物理场来分析流体力学装置模型，对转子内部湍流场、转子球壳压力和自由液面分布进行了数值模拟;搭建了动态球面转子的在液体中旋转的模型试验，利用试验装置得到不同转速下转子的功率，最后对比分析了数值模拟和试验研究之间的功率差异，验证了数值模拟的准确性。