叠片式轴向冗余磁悬浮轴承的设计及其性能研究

摘要

随着磁悬浮轴承技术研究的不断深入，应用领域的不断拓展，高可靠性的磁悬浮轴承系统已经越来越受到重视。冗余设计是提高系统可靠性的一种有效手段。另一方面，对于主动磁悬浮轴承来说，工作过程中的温升也会显著影响到主动磁悬浮轴承的可靠性。本文基于磁悬浮轴承高可靠性的要求，提出了叠片式轴向冗余磁悬浮轴承结构（可简称叠片式磁悬浮轴承）。叠片式磁悬浮轴承具有冗余特性并且减少了涡流损耗和温升，相对于整体式磁悬浮轴承具有明显的优势。 首先进行理论研究，理论研究分三步进行。为保证研究的严谨性，论文将提出的叠片式磁悬浮轴承的各项性能与性能优化后的整体式单环轴向磁悬浮轴承进行对比。第一步，利用Matlab软件对整体式单环轴向磁悬浮轴承进行了结构优化，使其在体积一定的条件下承载力最大。第二步，提出了四种叠片式磁悬浮轴承结构，并确定了本文所研究的四种叠片式磁悬浮轴承结构的结构参数。第三步，利用Matlab、Ansys workbench等工具对提出的叠片式磁悬浮轴承进行了仿真研究。并且将四种叠片式磁悬浮轴承从冗余特性、力学特性、温度特性三方面和整体式单环磁悬浮轴承进行了对比。 接着，进行叠片式磁悬浮轴承相关实验验证。实验验证同样分三步进行，分别验证提出的叠片式磁悬浮轴承的力学特性、冗余特性、温度特性三方面。选八块叠片式磁悬浮轴承进行验证性实验。第一步，通过八块叠片式轴向磁悬浮轴承能够稳定悬浮的实验，验证了其仿真承载力计算的正确性。第二步，通过八块叠片式磁悬浮轴承在稳定悬浮状态下，任意一组线圈失效后通过反馈系统自动调节仍然能够正常工作的实验，验证了八块叠片式磁悬浮轴承具有冗余特性。第三步，利用红外热像仪测试了八块叠片式磁悬浮轴承在正常工作状态下的温度场，将实验结果与仿真计算结果比较，验证了温度场仿真计算的可行性及准确性。 最后，通过理论仿真及实验结果可以知道，定子部分采用导磁材料嵌套硅钢叠片结构的叠片式磁悬浮轴承相对于整体式磁悬浮轴承在保证承载力不下降的情况下具有冗余特性，并且能在一定程度上降低温升。定子部分采用非导磁材料嵌套硅钢叠片结构的叠片式磁悬浮轴承相对于整体式磁悬浮轴承虽然承载力有所下降，但是仍具有冗余特性，并且能在很大程度上降低温升。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 磁悬浮技术的典型应用

1.2 课题研究的目的与意义

1.3 磁悬浮轴承的国内外研究现状及存在的问题

1.3.1 磁悬浮轴承冗余的国内外研究现状

1.3.2 磁悬浮轴承温度场的国内外研究现状

1.3.3 存在的问题

1.4 课题研究的主要内容

1.5 课题来源

第2章 叠片式轴向冗余磁悬浮轴承的结构设计

2.1 整体式与叠片式轴向磁悬浮轴承结构的特点

2.1.1 整体式轴向磁悬浮轴承特点

2.1.2 叠片式轴向冗余磁悬浮轴承特点

2.1.3 叠片式轴向冗余磁悬浮轴承结构提出的意义

2.2 叠片式轴向冗余磁悬浮轴承的结构设计

2.2.1 整体式单环轴向无冗余磁悬浮轴承结构的确定

2.2.2 叠片式轴向冗余磁悬浮轴承的设计方法介绍

2.3 整体式和叠片式轴向磁悬浮轴承的力学性能分析

2.3.1 整体式单环单线圈磁悬浮轴承电磁力仿真分析

2.3.2 失效前后整体式单环双线圈磁悬浮轴承电磁力仿真分析

2.3.3 失效前后矩形结构1叠片式磁悬浮轴承电磁力仿真分析

2.3.4 失效前后矩形结构2叠片式磁悬浮轴承电磁力仿真分析

2.3.5 失效前后梯形结构1叠片式磁悬浮轴承电磁力仿真分析

2.3.6 失效前后梯形结构2叠片式磁悬浮轴承电磁力仿真分析

2.4 六种结构的轴向磁悬浮轴承之间的力学性能比较

2.5 本章小结

第3章 叠片式磁悬浮轴承承载力及冗余实验验证

3.1 八块叠片式轴向冗余磁悬浮轴承的承载力实验验证

3.1.1 实验装置介绍

3.1.2 理论电磁力计算

3.1.3 仿真电磁力计算

3.1.4 八块叠片式轴向冗余磁悬浮轴承稳定悬浮时的电磁力

3.2 八块叠片式轴向冗余磁悬浮轴承的冗余验证实验

3.2.1 两组线圈正常工作时的悬浮实验

3.2.2线圈1失效后线圈2中通不同补偿电流时的重构实验

3.3 本章小结

第4章 磁悬浮轴承温度场理论与仿真分析

4.1 温度场理论分析

4.1.1 温度场与温度梯度

4.1.2 傅里叶定律

4.1.3 导热微分方程

4.1.4 定解条件的确定

4.2 轴向磁悬浮轴承温度场的理论分析与计算

4.2.1 轴向磁悬浮轴承的发热

4.2.2 轴向磁悬浮轴承温度场计算

4.3 磁悬浮轴承温度场的有限元计算

4.3.1 温度场仿真软件Ansys workbench模块介绍

4.3.2 失效前六种结构的磁悬浮轴承温度场的理论计算及仿真结果

4.3.3 冗余重构后五种冗余结构的轴向磁悬浮轴承温度场仿真分析

4.4 本章小结

第5章 叠片式轴向磁悬浮轴承的温度场实验验证

5.1 叠片式磁悬浮轴承温度场仿真及实验

5.1.1 温度场实验仪器介绍

5.1.2 两组线圈正常工作时温度场仿真

5.1.3 两组线圈正常工作时温度场实验

5.2 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士期间发表的学术论文