径向磁力轴承电磁力的多因素影响研究

摘要

由于磁力轴承的定子和转子之间不存在接触，具有无摩擦、高精度、无需润滑、高转速等优点，因此具有广阔的研究前景。为了保证磁力轴承中转子能够在平衡位置处稳定悬浮，为磁力轴承的优化和控制提供理论依据，必须从多个影响因素出发，系统地、全面地对其进行受力分析，研究磁力轴承电磁力的变化规律。本文针对8磁极径向磁力轴承，采用解析计算、数值分析和实验测量相结合的方法对磁力轴承电磁力进行定量分析，探究了转子偏心距、偏置电流、磁极对通电情况、硅钢片B-H曲线、外围空气漏磁现象、磁极布置形式和转子转速等多因素对电磁力的综合影响情况。本文主要研究工作如下： （1）建立8磁极径向磁力轴承电磁力数学模型，推导了电磁力解析计算公式。并分五种工况，运用MATLAB计算不同转子偏心距和偏置电流下的电磁力。运用ANSYS建立8磁极径向磁力轴承二维平面模型，在转子处于静止悬浮状态下，探究各因素对电磁力的影响情况。并分析了解析值与数值分析值之间的误差及x、y通道间的耦合程度。结果表明：1）电磁力的解析值较数值分析值的相对误差随转子偏心距和偏置电流的增大而增大，在偏心距为±0.3mm处相对误差达到21%，此时解析计算公式不再适用；2）当偏心距为-0.2mm到0.2mm时，相对误差基本小于10%，解析值和数值分析值吻合较好；3）在磁极达到饱和前，电流大小对通道间的耦合程度几乎没有影响，达到饱和后，不同电流大小对应的通道间耦合程度有所不同；4）磁极对通电情况对通道间的耦合程度有较为显著的影响；5）磁力轴承使用高饱和磁通密度的硅钢片有助于提升饱和后电磁力的大小；6）NSNS布置形式比NNSS布置形式产生的电磁力更大，但对控制系统要求更高。 （2）运用ANSYS建立8磁极径向磁力轴承旋转电磁场二维平面模型，对转子处于悬浮且旋转状态下的径向磁力轴承进行有限元分析。结果表明：不同转速较转子静止时电磁力Fx的减少程度随转子转速、偏置电流和转子偏心距的增大而增大，当n=2400rpm、I=3A、e=0.3mm时，电磁力Fx的减小程度达到76%。 （3）搭建径向磁力轴承实验平台，对解析、数值分析和实验结果进行对比分析。结果表明：当转子偏心距为0时，解析值较实验值、数值分析值较实验值的相对误差都在10%以内。验证了解析计算公式和有限元模型的正确性和合理性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 磁力轴承研究现状及应用

1.2.2 磁力轴承电磁力研究现状

1.3 本文研究内容

1.4 本章小结

第2章 径向磁力轴承电磁力多因素解析计算分析

2.1 磁力轴承电磁场理论基础

2.1.1 磁力轴承麦克斯韦方程组

2.1.2 磁力轴承势函数方程

2.2 磁力轴承电磁力计算经典理论

2.3 8磁极径向磁力轴承电磁力数学模型

2.4 径向磁力轴承电磁力多因素解析计算分析

2.4.1 一组磁极通电时电磁力的解析计算分析

2.4.2 两组相邻磁极通电时电磁力的解析计算分析

2.4.3 两组相对磁极通电时电磁力的解析计算分析

2.4.4 三组磁极通电时电磁力的解析计算分析

2.4.5 四组磁极通电时电磁力的解析计算分析

2.5 本章小结

第3章 径向磁力轴承电磁力多因素有限元分析

3.1 径向磁力轴承有限元模型

3.2 转子偏心距和偏置电流对电磁力的影响分析

3.2.1 一组磁极通电时电磁力的有限元分析

3.2.2 两组相邻磁极通电时电磁力的有限元分析

3.2.3 两组相对磁极通电时电磁力的有限元分析

3.2.4 三组磁极通电时电磁力的有限元分析

3.2.5 四组磁极通电时电磁力的有限元分析

3.2.6 小结

3.3 其他因素对电磁力的影响分析

3.3.1 硅钢片B-H曲线对电磁力的影响分析

3.3.2 外围空气漏磁现象对电磁力的影响分析

3.3.3 磁极布置形式对电磁力的影响分析

3.4 本章小结

第4章 径向磁力轴承旋转电磁场电磁力有限元分析

4.1 旋转电磁场有限元模型

4.2 电磁场结果分析

4.3 电磁力结果分析

4.4 本章小结

第5章 径向磁力轴承电磁力实验分析

5.1 径向磁力轴承实验平台

5.1.1 磁悬浮主轴系统

5.1.2 径向磁力轴承实验平台

5.2 加载方式及实验方案

5.3 实验结果分析

5.4 解析、数值分析、实验结果对比分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目