外文翻譯--基于有限元法計(jì)算磁力軸承的剛度和臨界轉(zhuǎn)速

1、附 錄 A2.1基于有限元法計(jì)算磁力軸承的剛度和臨界轉(zhuǎn)速常用三維有限元法建立高速電機(jī)磁力軸承系統(tǒng)的固有頻率和振動(dòng)模態(tài)模型，并且通過激振實(shí)驗(yàn)定義軸承剛度，用有限元法計(jì)算高速永磁電機(jī)測試結(jié)果的臨界轉(zhuǎn)速。研究表明，引入了三種在安全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)低頻率的振動(dòng)模態(tài)。1 介紹對于高速電機(jī)，轉(zhuǎn)子速度一般大約為 30000r/min，有的甚至超過100000r/min，定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，一般在 1000Hz 以上。設(shè)計(jì)一臺高速電機(jī)與設(shè)計(jì)

2、一臺低速、低頻率的電機(jī)有很大的不同，分析軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性和計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速是特別重要的。如果工作轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子將會產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)，尤其是對于高速旋轉(zhuǎn)的永磁電機(jī)，因?yàn)樗试S的抗拉強(qiáng)度較低。磁力軸承的剛度和阻尼對高速電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速有很大的影響。計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速的方法通常有兩種：傳遞矩陣法和有限元分析法。與傳遞矩陣法相比，有限元分析法的優(yōu)點(diǎn)是簡明、通用并且省時(shí)。一種基于有限元分析法的簡潔實(shí)用的方法用來計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速，研究運(yùn)行的磁力軸承的非線性特

3、性。用二維有限元分析建模來計(jì)算磁力軸承系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，用三維有限元分析建模來計(jì)算電磁轉(zhuǎn)子的固有頻率。本文用三維有限元分析法結(jié)合實(shí)驗(yàn)法來研究高速電機(jī)的固有頻率和磁力軸承系統(tǒng)的模態(tài)以及確定軸承剛度。建立有限元分析模型，是用來預(yù)測高階模態(tài)的臨界轉(zhuǎn)速和對計(jì)算不平衡反應(yīng)提供基礎(chǔ)。2 磁力軸承的結(jié)構(gòu)分析對于高速電機(jī)，通過磁力軸承運(yùn)動(dòng)能使轉(zhuǎn)子懸浮起來。一般情況下，磁力軸承轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的徑向力在不同狀態(tài)下被控制。有關(guān)磁力軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的單自由度控制系統(tǒng)的內(nèi)容如圖

4、 1 所示。 Fig.1. Schematic diagram of one-freedom magnetic bearing systemi0iyi0-iy+y ? 0 ?y ? 0 ?+i0+iyfyRotor3 軸承系統(tǒng)的三維有限元分析模型3.1 軸承的三維有限元模型永磁轉(zhuǎn)子特別適合于高速電機(jī)，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡單、高密度、高效率。 NdFeB 這種材料具有優(yōu)良的磁性，常用作永磁材料。然而，這種材料的抗拉強(qiáng)度與其他永磁材料一樣，只有

5、80Mpa，比抗壓強(qiáng)度減少了 10%。因此，用一種無磁合金護(hù)套保護(hù)永磁體是非常必要的，通過護(hù)套給永磁體表面的預(yù)緊力來減小永磁體的拉力，高速電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。正如圖 3 所顯示的，在有限元模型中，軸承被建成彈簧，徑向和軸向彈簧用來支撐轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子的材料特性在表格 I 中加以說明。3.2 三維有限元分析磁軸承剛度磁力軸承剛度對磁力軸承系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速預(yù)測的準(zhǔn)確性有很大的影響。然而，準(zhǔn)確地說明磁力軸承剛度的影響因素是困難的，因?yàn)檩S承特性

6、是非線性的。本文用迭代法，通過改變有限元模型中的剛度值，使有限元計(jì)算的固有頻率收斂于實(shí)驗(yàn)值來確定磁力軸承剛度。通過對磁力軸承系統(tǒng)的懸浮特性分析，用激振實(shí)驗(yàn)可獲得固有頻率，圖 4對激振實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了簡要說明。在靜止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)產(chǎn)生不同頻率的正弦激振信號，激振信號使磁力軸承的電磁場產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子上不同頻率的激振力。激振信號不夠強(qiáng)是不會影響到轉(zhuǎn)子的懸浮狀態(tài)的，只有激振頻率接近于轉(zhuǎn)子的固有頻率，才能獲得較大幅度的位移信號?；谝陨显?，能測得 4