永磁偏置三自由度磁悬浮轴承的拓扑结构、建模与分析

摘要

磁悬浮轴承利用电磁力支撑转轴，使转轴与固定部件之间无机械接触。因其具有无机械磨损、损耗小、寿命长、无需润滑和动态特性可调等诸多优点，在飞轮储能、涡轮机械、航空航天、医疗设备等领域得到了广泛的关注和应用。在此研究背景下，本论文以永磁偏置三自由度磁悬浮轴承为研究对象，针对该类型磁悬浮轴承的拓扑结构、电磁模型、设计理论、电磁性能以及交叉耦合效应等多个方面进行了深入研究。主要的内容如下: (1)基于传统结构的永磁偏置三自由度磁悬浮轴承，提出了一个改进磁路模型。改进磁路模型将永磁偏置磁场，轴向和径向控制磁场合在一起计算，因而能考虑到轴向和径向之间的交叉耦合;将所有的漏磁路径考虑在内;同时计及了铁芯材料的非线性磁导。对比传统磁路模型、改进磁路模型和三维有限元软件的计算结果，验证了所提出的改进磁路模型的准确性。为后续永磁偏置三自由度磁悬浮轴承的结构设计和耦合分析提供了基础。 (2)提出了一种径向控制线圈为环形线圈的新结构永磁偏置三自由度磁悬浮轴承。通过改变径向控制线圈的缠绕形式，从绕在径向定子齿部改为绕在轭部，实现减小径向控制线圈铜耗的目的。以该新结构为例，结合改进磁路模型，提出了一种改进的磁悬浮轴承的设计方法，能够在设计过程中计及漏磁和铁芯磁导的影响，同时节省设计所需的时间。采用该设计方法设计得到具体的结构参数，对其电磁性能进行了计算分析，并利用三维有限元对设计结果进行了仿真验证。 (3)分析了永磁偏置三自由度磁悬浮轴承各个方向自由度之间的交叉耦合效应。结果表明轴向控制电流对径向电磁力特性和刚度系数会产生显著的影响，而其它自由度之间没有表现出交叉耦合效应。在此基础之上，提出了三种抑制该交叉耦合现象的方法:添加补偿线圈、增加导磁环轴向长度和增加永磁体轴向长度。详细说明了三种方法的原理并对比分析了其抑制的效果，并采用三维有限元对结果进行了验证。 (4)基于上述的分析，提出了一种对称结构的永磁偏置三自由度磁悬浮轴承。径向轴承部分采用环形线圈减小铜耗;径向定子位于轴向定子内部的中心位置，使整体结构在轴向上关于径向定子对称，从根本上消除交叉耦合效应。设计得到了具体结构参数，分析其电磁性能。设计制造样机并对其进行实验测试，验证了磁路模型和有限元模型的准确性。

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致谢

摘要

图目录

表目录

1．1课题的研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1电磁模型与设计方法的研究现状

1．2．2交叉耦合问题的研究现状

1．2．3拓扑结构的研究现状

1．3本文的主要内容和创新性贡献

第2章永磁偏置三自由度磁悬浮轴承的电磁模型

2．1永磁偏置三自由度磁悬浮轴承

2．1．1结构

2．1．2工作原理

2．2改进磁路模型

2．3有限元验证

2．4本章小结

第3章新型永磁偏置三自由度磁悬浮轴承的电磁设计

3．1新型永磁偏置三自由度磁悬浮轴承

3．1．1结构及工作原理

3．1．2径向控制线圈的铜耗

3．2新型永磁偏置三自由度磁悬浮轴承的电磁设计

3．2．1改进磁路模型

3．2．2参数设计

3．2．3设计要求、已知参数及设计结果

3．3有限元验证

3．4本章小结

第4章永磁偏置三自由度磁悬浮轴承的交叉耦合效应分析

4．1永磁偏置三自由度磁悬浮轴承的交叉耦合效应

4．1．1三个自由度之间的耦合情况

4．1．2转子有轴向位移

4．2交叉耦合效应的抑制方法

4．2．1添加补偿线圈

4．2．2增加导磁环轴向长度

4．2．3增加永磁体轴向长度

4．3有限元验证

4．4本章小结

第5章新型对称结构永磁偏置三自由度磁悬浮轴承的研究

5．1结构及工作原理

5．2改进磁路模型

5．3参数设计

5．4有限元验证

5．5实验验证

5．6交叉耦合效应分析

5．7本章小结

第6章结论与展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间主要的研究成果