基于ANSYS的径向磁力轴承涡流损耗研究

摘要

在真空环境下，磁力轴承的功耗主要是铜损和铁损(磁滞损耗、涡流损耗)。功耗会对磁力轴承的可靠性以及动态性能性产生影响： (1)对可靠性的影响。在采用磁力轴承的大型的压缩机和电机中，功耗过大，产生的大量热量会使得定子和转子间的气隙变小，甚至有接触碰撞的危险；对于磁力轴承线圈的绝缘介质来说，当介质温度超过其许可工作温度时，绝缘材料将急剧老化，寿命降低得很快；所以功耗过大产生大量的热量，会降低系统性能的可靠性。 (2)对动态性能的影响。过大的磁力轴承功耗将会使转子产生热膨胀，使传感器产生温漂，传感器的温度特性影响着位移检测的精度，位移检测精度直接影响着磁悬浮转子的控制精度，控制精度进一步影响磁力轴承系统的动态特性。鉴于磁力轴承的功耗会影响系统性能，限制其应用范围，因此研究磁力轴承的功耗是一个亟待解决的问题。 本文的主要工作是： (1)论述了磁力轴承电磁场的有限元分析方法，阐述了涡流损耗、磁滞损耗产生的机理，并分析了单片硅钢片中的涡流损耗。 (2)电磁场的分布规律是磁力轴承研究中的重要部分。磁场是电流与力之间的桥梁，电流的大小直接影响到电磁力的大小及磁力轴承的性能，但这种影响是靠磁场来实现的。对耦合实验台上的径向磁力轴承的磁场进行了ANSYS仿真，并测量了耦合实验台上的径向磁力轴承磁感应强度分布。 (3)运用ANSYS的谐波分析方法计算了径向磁力轴承中的涡流损耗，研究了动态控制电流的频率和幅值与涡流损耗的关系，集肤效应和磁饱和对涡流损耗的影响。研究在径向磁力轴承在两种不同磁极配置方式(NNSS与NSNS)下的涡流损耗。 通过研究表明：径向磁力轴承的涡流损耗与线圈电流大小和频率、磁极分布(NSNS/NNSS)有关，同时也受到集肤效应和磁饱和对涡流损耗的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1前言

1.2磁力轴承的工作原理及应用

1.2.1磁力轴承的工作原理

1.2.2磁力轴承的应用

1.3国内外研究磁力轴承功耗现状与分析

1.4论文的研究意义和目的

1.5论文课题支撑与主要内容

第2章磁力轴承电磁场的有限元分析及实验测量

2.1电磁场基本理论

2.1.1磁通密度和磁场强度

2.1.2磁通连续性原理

2.1.3安培环路定律

2.1.4电磁感应定律

2.2磁性材料及其特性

2.2.1铁磁材料的分类和特性

2.2.2磁性材料的BH曲线

2.3有限元法

2.3.1有限元法电磁场分析基本原理

2.3.2有限元分析软件ANSYS介绍

2.3.3有限元法在磁力轴承电磁场分析中的应用

2.4磁力轴承电磁场有限元仿真计算

2.5磁悬浮耦合实验台磁场测量

2.5.1实验准备与测量

2.5.2实验数据分析

2.5.3理论分析与实验数据比较

2.6本章小结

第3章磁力轴承功耗基本理论与分析

3.1磁滞损耗、涡流损耗的基本原理

3.1.1磁滞损耗、涡流损耗的产生机理

3.1.2单片硅钢片中的涡流损耗分析与计算

3.2磁力轴承中功耗的计算

3.2.1磁力轴承中铜损的计算

3.2.2磁力轴承铁损的计算

3.3本章小结

第4章动态控制电流产生的涡流损耗分析

4.1二维谐波分析方法

4.2二维磁场分析有限元模型

4.2.1创建物理环境

4.2.2建立模型、划分网格、加载边界条件

4.2.3边界条件和激励载荷

4.3计算结果及分析

4.3.1静态偏置电流激励下的磁场

4.3.2动态控制电流激励下的磁场

4.3.3涡流损耗分析

4.4线性假设误差分析

4.5磁极NSNS与NNSS配置下的涡流损耗分析

4.6本章小结

第5章总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢