感应型动力磁轴承结构分析及轴向加载实验平台设计

摘要

动力磁悬浮轴承也称为无轴承电机，其定子由两套绕组——即输出转矩的转矩绕组和提供悬浮力的悬浮绕组组成。虽然普通交流电机的绕组理论已很成熟，但目前仍没有确定动力磁轴承两套绕组每槽导线数的相关理论依据。 本研究分析比较了动力磁轴承和普通交流电机的性能特点，总结出动力磁轴承定子结构设计的基本步骤。利用能量守恒原理，推导出两套绕组每槽导线数之间的匹配关系，并计算出两套绕组的功率。利用所得的两套绕组每槽导线数之间的关系，将一台普通异步电机改制成动力磁轴承，并对其磁场进行了有限元分析。结果表明：由原电机电磁参数决定的定子尺寸限制了动力磁轴承功率的提高。为此，提出增加原电机轭高以弥补功率损失。通过理论计算和电磁场有限元分析表明：改进后的动力磁轴承具有较高的气隙磁密，意味着提高了动力磁轴承的输出功率。结合轴向磁轴承定子电压平衡方程、推力盘的运动方程及磁路基本定律，推导出轴向磁轴承在差动状态下电磁力数学模型与转子轴向运动控制方程。并设计了以定子电压作为控制变量的闭环传递函数框图。为控制电路的设计和控制参数的调节奠定了理论基础。为测试轴向磁轴承的力学性能及控制系统，设计了一套轴向磁轴承的实验加载平台。该平台包括轴向磁轴承的支撑装置和施力装置，并用有限元法分析了该平台的可靠性。

目录

文摘

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绪论

第一章动力磁轴承绕组理论分析

1.1向量叠加与三角函数和之间的关系

1.2交流电机绕组理论

1.2.1正弦分布的磁场在导体中感应正弦电动势

1.2.2定子槽中导体连接成线圈的基本条件

1.2.3槽电动势星形图的作用

1.3绕组常见的几种方式

1.3.1单层与双层

1.3.2三相单层绕组显极、庶极布线

1.3.3链式与叠式的区别

1.4动力磁轴承定子绕组绕制办法

1.4.1动力磁轴承转矩绕组绕线

1.4.2 ANSYS编程实现动力磁轴承转矩绕组布线

本章小结

第二章 动力磁轴承两套绕组每槽导线数及其功率估算

2.1普通异步电机改动力磁轴承时绕组的理论分析

2.2电磁方案的设计

2.2.1电机的利用系数

2.2.2电磁负荷

2.2.3定子铁芯、气隙、定转子槽数

2.2.4绕组设计

2.2.5接法

2.2.6绕组并联路数和每槽导线数

2.3改制计算示例

2.3.1两套绕组各自气隙磁密的分配

2.3.2两套绕组每槽导线数规律研究

2.3.3改制后的输出功率分析

2.4 ANSYS仿真分析及结论

本章小结

第三章轴向磁轴承工作原理

3.2轴向磁轴承的电磁设计

3.2.1定子结构

3.2.2转子结构

3.3轴向磁轴承的数学模型及其控制方法

本章小结

第四章动力磁轴承轴向加载实验平台设计

4.1支撑装置的设计

4.1.1试验平台的基本要求

4.1.2推力轴承定子的定位

4.1.3定子挡板联接定子的螺钉的选择

4.1.4定子挡板的设计与固定

4.1.5保护轴承的设计

4.2施力机构的设计

4.2.1螺旋副几何参数确定

4.2.2自锁检验

4.2.3螺纹牙校核

4.2.3螺杆强度计算

4.2.4动态施力方案的设计

4.2.5静态施力方案的设计

本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢