永磁型动力磁轴承结构优化设计及电磁场分析

摘要

动力磁悬浮轴承（简称动力磁轴承）具有自驱动与自悬浮能力，可实现转子无接触旋转。由于永磁电机无需转矩绕组励磁电流，具有效率高、结构尺寸小、功率密度大等特点，因此将永磁电机应用于动力磁轴承可充分发挥永磁电机的上述优势，使动力磁轴承具有更加宽广的应用领域。本文采用ANSYS有限元分析软件，以气隙磁场分布、悬浮力、输出转矩为设计目标，对永磁型动力磁轴承进行了结构分析与优化设计。主要研究内容如下： ⑴分析了永磁型动力磁轴承内的两种电磁力及其运行机理，推导出转矩数学模型及基于转子偏心情况下的悬浮力解析模型。 ⑵对永磁型动力磁轴承进行了永磁材料选择和结构设计，推导出定子槽型设计公式及匝数计算公式。基于ANSYS分析了永磁型动力磁轴承表面凸出式与内置切向式两种磁路结构的气隙磁密波形，根据所得出的分析结果，最终选定动力磁轴承的磁路结构为表面凸出式。 ⑶运用ANSYS对永磁型动力磁轴承进行了实体建模，通过对其内部的电磁场分析，验证了永磁型动力磁轴承的悬浮原理。以径向悬浮力大小为评定依据，选择了两套绕组极数的最优配合。给出了永磁型动力磁轴承的样机参数，并以此进行分析，得出了单边磁拉力与转子偏心率关系、可控悬浮力与悬浮绕组电流关系，以及转子偏心情况下，径向悬浮力与悬浮绕组电流关系。 ⑷以气隙磁密畸变率为最小、径向悬浮力为最大、悬浮绕组电流为最小与永磁材料用量为最少为设计目标，优化设计了永磁体厚度、宽度、定子轭部高度与气隙长度，得出表面凸出式永磁型动力磁轴承的最优结构尺寸。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1课题背景及意义

1.2动力磁轴承的研究现状及应用领域

1.2.1研究现状

1.2.2应用领域

1.3本文研究内容

第二章永磁型动力磁轴承原理及数学模型

2.1永磁同步电动机工作原理

2.2永磁型动力磁轴承的电磁力

2.2.1洛伦兹力

2.2.2麦克斯韦力

2.3永磁型动力磁轴承工作原理

2.4永磁型动力磁轴承数学模型

2.4.1矢量控制的坐标变换

2.4.2转矩数学模型

2.4.3悬浮力数学模型

本章小结

第三章永磁型动力磁轴承样机设计

3.1.永磁材料性能选用

3.1.1永磁材料磁化过程

3.1.2永磁材料主要参数

3.1.3钕铁硼永磁材料

3.1.4永磁材料的选择

3.2定、转子设计

3.2.1定子设计

3.2.2转子设计

3.3转矩绕组、悬浮绕组设计

本章小结

第四章永磁型动力磁轴承有限元分析

4.1电磁场有限元分析简介

4.1.1有限元法的基本思想

4.1.2 ANSYS软件简介

4.1.3电磁场基本理论

4.2永磁型动力磁轴承有限元分析

4.2.1预处理模块

4.2.2求解模块

4.2.3后处理模块

4.3永磁型动力磁轴承电磁场分析

4.4悬浮绕组极数选择

4.5永磁型动力磁轴承悬浮原理验证

4.6永磁型动力磁轴承麦克斯韦力分析

4.6.1单边磁拉力分析

4.6.2可控悬浮力分析

4.6.3径向悬浮力分析

本章小结

第五章永磁型动力磁轴承优化设计

5.1定子轭部优化

5.2永磁体体积估算

5.3永磁体优化

5.3.1永磁体厚度优化

5.3.2永磁体宽度优化

5.4气隙长度优化

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