梯形和直角三角形截面永磁体叠堆的永磁轴承磁力解析模型研究

摘要

为了减小风力发电机转子与轴承间的摩擦力、摩擦力矩，从而提高发电效率，将磁悬浮技术应用于传统的风力发电机组，用磁力轴承替代传统的机械轴承。目前，永磁轴承的研究大多是采用复杂且计算工作量很大的数值算法，缺乏对具体永磁轴承磁力解析表达式的研究。因此，针对永磁轴承在该方面存在的不足，本文对由横截面为梯形和直角三角形永磁体构成的Halbach轴向叠堆永磁轴承磁力模型进行研究。由于磁场在磁体接缝处能顺畅过渡，可实现汇集磁能于永磁导轨工作间隙，达到提高其承载力及刚度的目的。梯形截面永磁体可视为是由两个直角三角形截面和一个矩形截面永磁体构成。因此，建立矩形和直角三角形截面的两永磁体磁力解析模型具有基础性和实用性。
　　本论文主要完成的工作包括：
　　1、基于保角变换、等效磁荷法、虚功原理，并结合稀土永磁材料的特性，经繁杂的四重积分得出一对截面为矩形和直角三角形的两永磁体之间的磁力表达式，并通过ANSYS12.0仿真验证了该模型与轴承结构相关参数之间的关系。
　　2、建立了由横截面为梯形和直角三角形永磁环构成的Halbach叠堆永磁轴承轴向磁力解析模型。计算分析、仿真验证了该永磁轴承的轴向承载力和磁环轴向偏移量r、径向厚度a&e、磁环间隙c、轴向总长度b&d之间的关系；以及对相同尺寸的分别由截面为梯形和由截面为矩形永磁体构成的Halbach叠堆永磁轴承的轴向承载力作研究和比较。
　　由模型仿真结果和计算结果可以看出：截面为矩形和直角三角形永磁体磁力解析模型在MATLAB中的计算值与在ANSYS中的仿真值基本一致，所有磁力的平均误差全部都在允许的工程误差范围内，证明了本论文建立的解析模型是正确的；由截面为直角三角形和梯形永磁体构成的Halbach叠堆永磁轴承的轴向磁力，随着两磁环间的轴向偏移量的增大呈先增大后逐渐减小的趋势。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 磁悬浮轴承概述

1.3 永磁轴承用于风电机组的研究现状

1.4 永磁轴承研究现状

1.5 永磁轴承目前研究的不足

1.6 本文的主要研究工作

2 永磁悬浮轴承的理论基础

2.1 永磁轴承工作原理及其结构

2.2 永磁轴承计算方法

2.3 有限元法

2.4 常用永磁材料及其特性

2.5 有限元仿真软件ANSYS12.0介绍

2.6 本章小结

3 截面为矩形和直角三角形的永磁体磁力解析模型

3.1 矩形和直角三角形截面永磁体磁力解析式

3.2 ANSYS仿真验证磁力解析模型，分析磁力与相关参数关系

3.3 误差分析

3.4 本章小结

4 截面为直角三角形和梯形永磁体构成的Halbach阵列磁力解析模型

4.1 Halbach叠堆阵列永磁轴承结构

4.2 Halbach阵列叠堆永磁轴承轴向磁力

4.3 ANSYS有限元仿真分析磁力与相关参量的关系

4.4 比较由截面为梯形构成的和由截面为矩形构成的Halbach叠堆的相同尺寸的永磁轴承轴向磁力

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1

附录2