多环轴向磁力轴承冗余设计研究

摘要

随着主动磁悬浮轴承应用领域的不断拓宽，系统运行的可靠性已成为衡量系统性能的重要指标，提高主动磁悬浮轴承系统的运行可靠性能够推动其更好的应用于高可靠性领域。文中针对磁悬浮轴承运行高可靠性的要求对轴向磁力轴承的冗余设计进行了具体研究。
　　首先，提出了一种沿圆周多环布置的轴向磁力轴承冗余方案并在充分利用导磁材料性能和磁不饱和的前提下推导了具体的结构参数确定方法。
　　然后，对多环轴向磁力轴承出现线圈失效时的残余承载力比率和附加弯矩进行理论分析。在此基础上，结合六环结构的轴向磁力轴承展开，得到了六环结构下的冗余设计准则，完成六环轴向磁力轴承定子的结构设计；根据附加弯矩值将线圈失效形式分为平衡失效和非平衡失效两类，分析了附加弯矩对径向磁力轴承的影响；提出了“镜像失效”、“对角失效”和“残余磁极”三种主动控制方式，从补偿电流、残余磁极利用率、附加弯矩等方面对三者进行了对比。
　　利用ANSYS对已有的两环轴向冗余结构和本文提出的六环轴向冗余结构磁力轴承进行了承载力和冗余度对比。结果表明，本文提出的六环轴向冗余结构在承载力和冗余度方面均优于两环轴向冗余结构。此外，分析了轴承定子侧壁的存在对磁场分布的影响，修正了六环轴向磁力轴承的电磁力模型。
　　最后，利用Matlab的Simulink模块对六环轴向磁力轴承支撑下的磁悬浮转子进行了冗余重构条件下的悬浮特性仿真，验证本文提出的六环轴向磁力轴承能够实现线圈失效情况下的冗余重构，从而实现磁力轴承系统的容错运行。

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第一章 绪 论

1.1磁力轴承的分类及应用

1.2磁悬浮容错技术的国内外研究现状及存在的问题

1.3课题研究的主要内容及项目支撑

第二章 轴向磁力轴承的结构冗余设计

2.1磁力轴承电磁力计算模型

2.2轴向磁力轴承的结构冗余设计

2.3本章小结

第三章 线圈失效下残余承载力和附加弯矩分析

3.1残余承载力比率和附加弯矩模型

3.2六环结构下的残余承载力分析

3.3六环结构下的附加弯矩分析

3.4主动控制思路的比较

3.5本章小结

第四章 两种冗余结构轴向磁力轴承性能比较

4.1 两环冗余结构的轴向磁力轴承

4.2两环冗余与六环冗余轴向磁力轴承性能对比

4.3六环冗余结构电磁力模型修正

4.4侧壁对磁场分布的影响分析

4.5本章小结

第五章 六环轴向磁力轴承悬浮特性仿真

5.1力的分配与补偿

5.2基于Matlab/Simulink的悬浮特性仿真

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢