高速电机用主动磁悬浮轴承系统的研究与设计

摘要

由于高速电机具有转速范围广、结构紧凑、转动惯量小以及高功率密度等优点，因此高速电机在世界上受到了密切关注，并在工业中得到了广泛应用。然而，轴承严重磨损和发热问题降低了高速电机的可靠性，直接限制了高速电机进一步的发展。磁悬浮轴承正好能够稳定支撑高速电机转子，并且能够对转子进行主动控制，在高速电机中应用越来越广泛。但是，磁悬浮轴承系统的设计融合多个学科交叉，设计过程复杂，到目前为止，还未取得广泛的应用。因此，本文系统研究应用于高速电机的磁悬浮轴承系统设计方法对高速电机发展和磁悬浮轴承的工业应用具有重要意义。为此，本文将从以下几个方面研究应用于高速电机的磁悬浮轴承系统。
　　首先,本文对不同的磁悬浮轴承进行了分析比较,并根据高速电机的要求，选取了主动磁悬浮轴承作为分析对象,详细研究了主动磁悬浮轴承的结构特点，抽象出主动磁悬浮轴承单自由度模型，并以此为基础分析了主动磁悬浮轴承的工作原理，更进一步利用磁路法，对单自由度模型进行计算分析建立了单自由度模型的数学模型。
　　继而，本文从工程设计的角度出发，综合考虑了磁悬浮轴承的性能指标和实际加工装配的尺寸限制，详细推导了主动磁悬浮轴承的参数设计方法。并以一台200kW&40000rpm高速电机为实例，从电磁、机械和热等多个角度详细设计了主动磁悬浮轴承各项结构尺寸，并利用有限元法进行方案校核。
　　随后，为了在磁悬浮轴承设计过程中充分考虑支撑对象的特性，本文重点研究了200kW&40000rpm高速电机转子的设计过程，包括电机转子结构的选择、材料的选择、静力学校核和动力学分析等。此外，本文考虑实际偏心质量存在的情况，利用有限元软件分析了高速转子的瞬态动力学行为。
　　最后，本文分析对比了常用的磁悬浮轴承开关功率放大器的拓扑结构，以成本最低和电流纹波最小为原则选择了共桥臂半桥结构作为开关功率放大器的主电路，并利用仿真验证了其原理，同时设计了实验，验证了共桥臂半桥结构的可行性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

2 磁悬浮轴承的基本理论及数学模型分析

2.1 磁悬浮轴承的分类

2.2 主动磁悬浮轴承的工作原理

2.3 主动磁悬浮轴承系统的数学模型

2.4 本章小结

3 主动磁悬浮轴承参数设计方法

3.1 高速电机的主体结构与参数

3.2 磁悬浮轴承的参数设计

3.3 本章小结

4 高速电机转子结构设计与动力学分析

4.1 高速电机转子设计的基本要求

4.2 高速电机转子结构设计与分析

4.3 高速电机转子动力学分析

4.4 本章小结

5 开关功率放大器的设计分析与实验研究

5.1 开关功率放大器的拓扑结构分析

5.2 开关功率放大器的仿真分析

5.3 开关功率放大器的实验研究

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 课题展望

致谢

参考文献

附录I硕士期间发表论文和专利