轉(zhuǎn)子磁體混合磁軸承的電磁設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p>　　轉(zhuǎn)子磁體混合磁軸承的電磁設(shè)計(jì)</p><p>　　作 者 姓 名 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) </p><p>　　指 導(dǎo) 老 師 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)

2、 副教授 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　ABSTRACT2</p><p>　　第一章 緒 論3</p><p>　　1.1磁軸承的優(yōu)越性3</p&

3、gt;<p>　　1.2磁軸承的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其工業(yè)應(yīng)用3</p><p>　　1.2.1磁軸承國(guó)外研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用3</p><p>　　1.2.2磁軸承國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用4</p><p>　　1.3磁軸承的分類(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn)5</p><p>　　1.3.1磁軸承的分類(lèi)5</p><p&g

4、t;　　1.3.2各類(lèi)磁軸承的優(yōu)缺點(diǎn)5</p><p>　　第二章 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu),工作原理以及等效磁路6</p><p>　　2.1 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu)及其工作原理6</p><p>　　2.1.1永磁偏置磁軸承的結(jié)構(gòu)及工作原理6</p><p>　　2.1.2 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu)8

5、</p><p>　　2.1.3 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的工作原理9</p><p>　　第三章 混合磁軸承的磁路分析計(jì)算11</p><p>　　3.1 永磁磁路計(jì)算11</p><p>　　3.2電勵(lì)磁磁路計(jì)算13</p><p>　　3.3 最大承載力計(jì)算18</p><p>

6、;　　3.4 最大起浮力計(jì)算19</p><p>　　3.5 混合磁軸承的磁路耦合性分析20</p><p>　　3.6 混合磁軸承的電流剛度和位移剛度21</p><p>　　主要參考資料：23</p><p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　摘

7、 要</b></p><p>　　磁懸浮軸承簡(jiǎn)稱(chēng)磁軸承，利用磁場(chǎng)力提供無(wú)接觸支承，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。磁軸承的出現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)支承技術(shù)的革命，它作為一種新的支承形式，其優(yōu)良的性能和引起了眾多學(xué)者的濃厚興趣。 磁軸承的研究?jī)?nèi)容涉及到電磁學(xué)、電子學(xué)、控制理論、機(jī)械學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科。由于國(guó)內(nèi)對(duì)磁軸承的研究主要是針對(duì)工業(yè)上的應(yīng)用，對(duì)航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究還處于起步階段，磁懸浮軸承系統(tǒng)不

8、但涉及控制問(wèn)題更重要的是電磁設(shè)計(jì)問(wèn)題， 良好的電磁設(shè)計(jì)研究對(duì)飛輪系統(tǒng)的功耗性能指標(biāo)要求尤為重要，磁懸浮軸承的電磁設(shè)計(jì)計(jì)算研究是研制高性能飛輪系統(tǒng)的基礎(chǔ)。磁懸浮軸承與傳統(tǒng)機(jī)械軸承相比具有很大的優(yōu)勢(shì)， 為進(jìn)一步降低磁懸浮軸承的功耗，永磁偏置混合磁軸承已經(jīng)得到了廣泛重視。本文對(duì)轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承進(jìn)行了深入分析和研究，具體包括以下內(nèi)容：</p><p>　　首先綜述了轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的優(yōu)越性、應(yīng)用及研究

9、現(xiàn)狀。</p><p>　　詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu)及其工作原理，在此基礎(chǔ)上，建立了該磁軸承的等效磁路模型。</p><p>　　采用疊加原理對(duì)磁軸承的等效磁路進(jìn)行了分析計(jì)算，推導(dǎo)了該磁軸承的承載力計(jì)算表達(dá)式，進(jìn)而對(duì)其耦合性及電流剛度和位移剛度進(jìn)行了分析研究。</p><p>　　最后對(duì)該磁軸承進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，編制計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序。</p&g

10、t;<p>　　關(guān)鍵字：磁懸浮 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置 混合磁軸承 等效磁路 電磁設(shè)計(jì)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Magnetic Suspension bearing referred to as magnetic bearing. The use of magnetic field strength

11、is provided without any contact. To realize the stable suspension of rotor. The magnetic bearing is to the traditional supporting technology revolution. It as a new form of support, It’s excellent properties and wide app

12、lication prospect make scholars interested. Magnetic bearings research content involves electronic, control theory, mechanics, rotor dynamics, materials science and computer science. D</p><p>　　Fist, reviews

13、 the hybrid-type permanent magnet biased magnetic bearing superiority present situation of research and application.</p><p>　　Second, Introduces in detail the hybrid-type permanent magnet biased magnetic bea

14、ring structure and its working principle, On the basis of that, establish the model of equivalent magnetic circuit of magnetic bearing.</p><p>　　Third, Analysis and calculation the equivalent magnetic circui

15、t of magnetic bearing by superposition principle. Derivation of the magnetic bearing capacity calculation formula. Then the coupling stiffness and current and displacement stiffness are analyzed.</p><p>　　Fo

16、urth, Conduct electromagnetic design for the magnetic bearing, organization the computer aided design program in the end.</p><p>　　Key words：Magnetic Suspension bearing hybrid-type permanent magnet biased ma

17、gnetic bearing the equivalent magnetic circuit electromagnetic design</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1磁軸承的優(yōu)越性</p><p>　　磁懸浮軸承簡(jiǎn)稱(chēng)磁軸承，利用磁場(chǎng)力提供無(wú)接觸支承，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。磁軸承的出現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)

18、支承技術(shù)的革命，它作為一種新的支承形式，其優(yōu)良的性能和廣闊的應(yīng)用前景引起了眾多學(xué)者的濃厚興趣。磁軸承的研究?jī)?nèi)容涉及到電磁學(xué)、電子學(xué)、控制理論、機(jī)械學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科。簡(jiǎn)單磁軸承的結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子、位移傳感器、控制器、功率放大器以及電磁鐵構(gòu)成，并由此形成閉環(huán)系統(tǒng)。傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移，作為控制器的微處理器將該位移變換成控制信號(hào)，然后通過(guò)功率放大器將這一控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制電流，該電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力從而使轉(zhuǎn)

19、子維持其懸浮位置不變。懸浮系統(tǒng)的剛度、阻尼以及穩(wěn)定性由控制規(guī)律決定。由于磁軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，其轉(zhuǎn)子和定子之間沒(méi)有任何機(jī)械接觸。因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　無(wú)機(jī)械接觸、低功耗。</p><p>　　壽命長(zhǎng)、可靠性高。磁軸承轉(zhuǎn)子由磁場(chǎng)力來(lái)懸浮，相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間無(wú)機(jī)械接觸，因此不存在磨擦、磨損和接觸疲勞產(chǎn)生的壽命問(wèn)題。</p><p>　　高轉(zhuǎn)

20、速。磁軸承支承的轉(zhuǎn)子可以在每分鐘數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)的工況下工作，其圓周速度只受轉(zhuǎn)子材料強(qiáng)度的限制。</p><p>　　無(wú)需潤(rùn)滑。因而不存在潤(rùn)滑劑對(duì)環(huán)境的污染，在真空、輻射和禁止使用潤(rùn)滑劑介質(zhì)污染的應(yīng)用場(chǎng)合，磁軸承的優(yōu)勢(shì)無(wú)可比擬。</p><p>　　精度高、主動(dòng)控制性好。剛度、阻尼等可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)解。</p><p>　　1.2磁軸承的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其工業(yè)應(yīng)

21、用</p><p>　　1.2.1磁軸承國(guó)外研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用</p><p>　　目前，國(guó)際上對(duì)磁懸浮軸承的研究工作和學(xué)術(shù)氛圍相當(dāng)活躍，在磁軸承研究領(lǐng)域，近三十年來(lái)，在空間技術(shù)、儀器儀表、物理學(xué)研究、振動(dòng)控制、加工機(jī)械、透平機(jī)械及特殊要求的領(lǐng)域電磁軸承都得到了應(yīng)用。國(guó)外許多公司，如哈伯曼和 S2M 公司，己經(jīng)有了商品化的電磁軸承產(chǎn)品。目前對(duì)電磁軸承的研究主要集中在各種新型結(jié)構(gòu)的電磁軸承、

22、高性能電磁軸承的控制器、高效功率放大器、電磁軸承的建模等等方面。從學(xué)術(shù)研究方面，1988 年在瑞士召開(kāi)了第一屆“國(guó)際磁懸浮軸承會(huì)議此后該會(huì)議每?jī)赡暾匍_(kāi)一次，每次會(huì)議都有大量關(guān)于磁懸浮軸承的論文發(fā)表，美國(guó)在 1991 年召開(kāi)了“磁懸浮技術(shù)在航天中的應(yīng)用的學(xué)術(shù)討論會(huì)， 此后也是每?jī)赡暾匍_(kāi)一次， 這在很大程度上推動(dòng)了磁軸承的應(yīng)用研究。</p><p>　　60 年代初美國(guó)德恩伯實(shí)驗(yàn)室首先在空間制導(dǎo)和慣性輪上成功地使用了

23、磁軸承；1972 年法國(guó)軍事科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室將磁軸承用于衛(wèi)星導(dǎo)航的慣性輪上。1983 年 11 月搭載于美國(guó)航天飛機(jī)的歐洲空間倉(cāng)內(nèi)安裝了采用磁軸承的真空。泵；1986 年 6 月日本在 H-1 型火箭上進(jìn)行了磁懸浮飛輪的空間試驗(yàn)；1997 年前后德恩伯實(shí)驗(yàn)室又報(bào)道了一系列有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫磁軸承的研究成果；1998 年 M.J.Balon 等人將磁軸承應(yīng)用于人工心臟泵隨后，2000 年J.X.Shen 等人也將磁軸承應(yīng)用于人工心臟。最

24、近幾年，國(guó)外對(duì)磁軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的可行性作了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明：使用磁軸承可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的重量減輕 15%并將其效率提高 5％左右。</p><p>　　從工業(yè)應(yīng)用方面，國(guó)外不僅將磁軸承應(yīng)用于宇航部門(mén)，而且已迅速運(yùn)用到軍事部門(mén)和基礎(chǔ)工業(yè)部門(mén)的數(shù)百種不同運(yùn)動(dòng)機(jī)械上，諸如：高速磨床、銑床、離心機(jī)、透平壓縮機(jī)、高速電機(jī)等。此外，美國(guó)、法國(guó)、瑞士、日本和我國(guó)都在開(kāi)展磁軸承的研究工作， 國(guó)際上這些努力大大推動(dòng)了磁軸承在工業(yè)

25、中的廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.2.2磁軸承國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用</p><p>　　在國(guó)內(nèi)，磁軸承的研究始于 60 年代，由于發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)封鎖以及我國(guó)在此領(lǐng)域起步較晚，研究水平相對(duì)而言比較落后，使得我國(guó)在磁軸承的研究與應(yīng)用方面比國(guó)外先進(jìn)國(guó)家落后 20 多年。從 70 年代末以來(lái)，許多高校及科研院所在磁軸承研究方面投入人力、物力進(jìn)行深入研究，并致力于投入工程應(yīng)用，由于種種原因，

26、目前還都基本處于實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)試驗(yàn)運(yùn)行階段，而且研制的樣機(jī)還存在著多種問(wèn)題，例如可靠性不高、發(fā)熱大、不能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，因此還沒(méi)有進(jìn)行批量生產(chǎn)及成功應(yīng)用于實(shí)際機(jī)組的例子。目前，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等都在開(kāi)展磁軸承應(yīng)用方面的研究。西安交通大學(xué)潤(rùn)滑理論及軸承研究所從上世紀(jì)八十年代初即開(kāi)始了電磁軸承系統(tǒng)的研究，已完成了電磁鐵的優(yōu)化設(shè)計(jì)、模擬 PID控制器、功率放大器、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)仿真、剛性轉(zhuǎn)子禍合動(dòng)力學(xué)

27、等研究，現(xiàn)正致力于電磁軸承工業(yè)應(yīng)用的研究 ，其數(shù)字控制系統(tǒng)包括采用雙 TMS320F240處理器 PID控制算法的數(shù)字控制系統(tǒng)，采用單TMS320C30處理器的數(shù)字控制系統(tǒng)。南京航空航天大學(xué)目前主要在主動(dòng)磁軸承、永磁偏置軸承和無(wú)軸承電機(jī)等方面展開(kāi)研究，他們主要研</p><p>　　目前我國(guó)的磁軸承在工業(yè)應(yīng)用方面尚有許多實(shí)際問(wèn)題亟待解決， 有關(guān)磁軸承設(shè)計(jì)方面的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)尚未制定，就目前發(fā)展?fàn)顟B(tài)而言，它本

28、身也遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到替代其他軸承的水平， 除磁性材料性能及磁軸承的控制系統(tǒng)方面尚有許多課題等待研究和解決之外，設(shè)計(jì)理論尚未成熟，造價(jià)昂貴也是主要原因。</p><p>　　1.3磁軸承的分類(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　1.3.1磁軸承的分類(lèi)</p><p>　　按照磁場(chǎng)的提供方式，磁軸承可分為以下三類(lèi)：</p><p>　?、俦粍?dòng)磁軸承(Pass

29、ive Magnetic Bearing，簡(jiǎn)稱(chēng)PMB)又稱(chēng)為永磁軸承，PMB完全利用不可控的永磁體產(chǎn)生的電磁力實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)子的被動(dòng)支撐。</p><p>　?、陔妱?lì)磁偏置磁軸承也稱(chēng)為主動(dòng)磁軸承(Active Magnetic Bearing，簡(jiǎn)稱(chēng) AMB)或有源磁軸承，通過(guò)控制電磁力實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)子的可控磁懸浮。</p><p>　?、塾来牌没旌洗泡S承(Hybrid Magnetic Be

30、aring 簡(jiǎn)稱(chēng) HMB)即有電勵(lì)磁線(xiàn)圈，又有永磁體，其偏置磁場(chǎng)由永磁體提供，而電勵(lì)磁線(xiàn)圈提供控制磁場(chǎng)。</p><p>　　1.3.2各類(lèi)磁軸承的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　?、疟粍?dòng)磁軸承：被動(dòng)磁軸承通常采用若干個(gè)環(huán)形永磁體按一定的極性成對(duì)布置而成，按磁體充磁方向可分為徑向和軸向永磁軸承兩類(lèi)，而每一類(lèi)按磁力提供形式又分為斥力型和引力型兩種，計(jì)算了兩個(gè)磁偶極子之間的耦合能、磁力及剛度，得出

31、了由兩個(gè)永磁體環(huán)構(gòu)成的徑向永磁軸承和軸向永磁軸承所具有的結(jié)構(gòu)布局形式。實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)不同的功能，永磁軸承的結(jié)構(gòu)形式可能很復(fù)雜，但復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式都是這些基本結(jié)構(gòu)形式通過(guò)不同的組合演化而成。被動(dòng)磁軸承的磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，不消耗電力，因此不需勵(lì)磁線(xiàn)圈以及供電系統(tǒng)，使整個(gè)軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積較小，且損耗很小，但被動(dòng)磁軸承的阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)很小，且不能進(jìn)行主動(dòng)控制。</p><p>　?、浦鲃?dòng)磁軸承：與

32、被動(dòng)磁軸承相比，主動(dòng)磁軸承可通過(guò)主動(dòng)控制在所有自由度上達(dá)到穩(wěn)定平衡，而且通過(guò)主動(dòng)控制可以調(diào)節(jié)磁軸承的阻尼和剛度以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由主動(dòng)磁軸承的工作原理知，該磁軸承的偏置磁場(chǎng)由偏置電流產(chǎn)生，即使轉(zhuǎn)子位于平衡位置， 磁軸承也存在很大的開(kāi)關(guān)功放損耗和線(xiàn)圈銅耗以及定子部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分的鐵耗；轉(zhuǎn)子有偏移時(shí)，控制電流與偏置電流工作于差動(dòng)方式，使轉(zhuǎn)子恢復(fù)到平衡位置。由于轉(zhuǎn)子的偏移量非常小，控制電流比偏置電流小的多，由控制電流引起的磁軸承損耗相對(duì)于偏置電流

33、引起的損耗很小。</p><p>　　主動(dòng)磁軸承除了產(chǎn)生渦流損耗和鐵耗外， 另一主要損耗是由偏置電流引起的線(xiàn)圈銅耗和功放損耗。渦流損耗和鐵耗可通過(guò)采取相應(yīng)的措施使之相對(duì)減小。主動(dòng)磁軸承的線(xiàn)圈越多，所需功率放大器也越多，這不但使控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，而且增大了整個(gè)系統(tǒng)的體積，最重要的一點(diǎn)是線(xiàn)圈銅耗和功放損耗大大增加。為了降低功耗并同時(shí)保證磁軸承的主動(dòng)控制特性，永磁偏置混合磁軸承得到了很大的關(guān)注 。永磁磁場(chǎng)替代電勵(lì)磁磁場(chǎng)

34、作為偏置場(chǎng)，從而消除了偏置電流及其引起的損耗。1989 年 C.K. Sortore 等人研制了 23000rpm 的實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)子采用普 通軸承支撐時(shí)功耗為 3000W，在電勵(lì)磁軸承支承下功耗為 500W，在混合磁軸承支承下功耗僅為 207W?？梢?jiàn)采用混合磁軸承在降低功耗方面的效果非常明顯。可見(jiàn)，減小系統(tǒng)線(xiàn)圈銅耗和功放損耗的根本出路是消除偏置電流。</p><p>　　⑶混合磁軸承：為了降低功耗并同

35、時(shí)保證磁軸承的主動(dòng)控制特性， 永磁偏置混合磁軸承得到了很大的關(guān)注，永磁磁場(chǎng)替代電勵(lì)磁磁場(chǎng)作為偏置磁場(chǎng)，從而消除了偏置電流及其引起的損耗，盡管該種磁軸承的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但很緊湊，有利于降低電磁軸承的體積和重量，但該混合磁軸承缺點(diǎn)如下：1)軸向永磁偏置和徑向永磁偏置共用磁路，這必然導(dǎo)致兩個(gè)偏置氣隙磁通密度的耦合，加大了磁軸承的控制難度降低了控制精度；2)該種結(jié)構(gòu)軸向電勵(lì)磁磁場(chǎng)垂直穿過(guò)轉(zhuǎn)子疊片鐵心，需要很大的軸向電勵(lì)磁磁勢(shì)才能滿(mǎn)足軸向控制要求；3

36、)難以采用如此相同的兩個(gè)磁軸承來(lái)實(shí)現(xiàn) 5 個(gè)自由度的懸浮。</p><p>　　綜上所述，被動(dòng)磁軸承的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需主動(dòng)控制，但不能在六個(gè)自由度上穩(wěn)定懸??；主動(dòng)磁軸承雖有很好的可控性，但由偏置電流引起的損耗較大；混合磁軸承不但具有較好的可控性，而且其功耗很低。但是，目前混合磁軸承也或多或少存在一定的缺陷?；旌洗泡S承的研究主要集中于永磁偏置混合磁軸承，由于永磁偏置混合磁軸承消除了電勵(lì)磁偏置磁軸承的偏置電流而大大降低

37、了損耗，同時(shí)也減少了電磁鐵功放的體積和重量，在航空、航天領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用時(shí)。</p><p>　　第二章 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu),工作原理以及等效磁路</p><p>　　2.1 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu)及其工作原理</p><p>　　2.1.1永磁偏置磁軸承的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　單自由度永磁偏置磁軸承的結(jié)構(gòu)原

38、理如圖2-1所示，磁軸承轉(zhuǎn)子在永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸力作用下懸浮于平衡位置。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，永磁體產(chǎn)生的永磁磁通在轉(zhuǎn)子上方氣隙1－1處和下方氣隙2－2處相等。若不計(jì)重力，則兩氣隙處對(duì)轉(zhuǎn)子的吸力相等，即。假設(shè)在平衡位置時(shí)轉(zhuǎn)子受一個(gè)向下的外擾力，轉(zhuǎn)子偏離平衡位置向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)轉(zhuǎn)子上下氣隙的間隙變化，即上間隙增大，磁通減少；下間隙減小，磁通 增大。由磁場(chǎng)吸力與磁通的關(guān)系，可得上下兩電磁鐵對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁吸力、 分別為：</p><

39、;p>　　式中，、分別為永磁體產(chǎn)生的磁通；A 為磁極面積；是空氣的磁導(dǎo)率。</p><p>　　由于<，故<。此時(shí)位移傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的位移量，控制器將這一位移信號(hào)變換成控制信號(hào)，功率放大器又將此控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制電流，該電流流過(guò)電磁鐵線(xiàn)圈產(chǎn)生電磁磁通，在1－1處與方向相同，合成磁通疊加為，在2－2 處與方向相反，合成磁通為，此時(shí)電磁吸力、分別為:</p><p&

40、gt;　　由式(2-3)、(2-4)可知，只要滿(mǎn)足> ，>,，所以轉(zhuǎn)子在回復(fù)力的作用下回復(fù)到平衡位置。若轉(zhuǎn)子受到向上的外擾力，分析方法同上，只需改變控制電流的方向即可使轉(zhuǎn)子回復(fù)到平衡狀態(tài)。</p><p>　　圖2-1永磁偏置磁軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　比較永磁偏置混合磁軸承和主動(dòng)磁軸承的工作原理知，永磁偏置混合磁軸承的偏置磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)提供，而主動(dòng)

41、磁軸承的由偏置電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)提供。由于消除了主動(dòng)磁軸承的偏置電流，大大降低了繞組銅耗和開(kāi)關(guān)功放損耗，所以永磁偏置混和磁軸承的損耗很低。</p><p>　　2.1.2 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu)</p><p>　　轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的結(jié)構(gòu)如圖 2-2所示。將兩個(gè)相同的四極普通徑向磁軸承的定子鐵心的軛部換為不導(dǎo)磁材料，然后將兩定子的對(duì)應(yīng)磁極通過(guò)軸向?qū)Т盆F心軛連在一起就組成了該

42、混合磁軸承的定子；兩個(gè)相同的普通徑向磁軸承的轉(zhuǎn)子在內(nèi)嵌永磁體軸向?qū)Т盘淄埠螅ㄟ^(guò)永磁體沿軸向連在一起，組成混合磁軸承的轉(zhuǎn)子，這一轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間通過(guò)不導(dǎo)磁套筒隔磁。</p><p>　?。╝）軸向截面圖 （b）端面示意圖</p><p>　　1－轉(zhuǎn)軸；2－隔磁套筒；3－環(huán)形永磁體；4－永磁軸向?qū)Т盘淄玻?－轉(zhuǎn)子鐵心；6－氣隙；7－定子鐵心磁極；8－

43、定子軸向?qū)Т盆F心軛；9－定子線(xiàn)圈；10－定子極間隔磁；11－隔磁擋板</p><p>　　圖 2-2 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.1.3 轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承的工作原理</p><p>　?、?永磁磁場(chǎng)提供偏置磁場(chǎng)</p><p>　　永磁體環(huán)沿軸向充磁，一端面為N極，另一端面為S極， 其磁路如圖2-

44、1(a)中虛線(xiàn)所示。該永磁磁路的路徑為：永磁體N極－左永磁軸向?qū)Т盘淄玻筠D(zhuǎn)子鐵心－左氣隙－左定子鐵心磁極－定子軸向?qū)Т盆F心軛－右定子鐵心磁極－右氣隙－右轉(zhuǎn)子鐵心－右永磁軸向?qū)Т盘淄玻来朋wS極。可見(jiàn)，對(duì)氣隙永磁磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，磁路一端由轉(zhuǎn)子鐵心到定子磁極，另一端由定子磁極到轉(zhuǎn)子鐵心。如轉(zhuǎn)子在平衡位置旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子鐵心表面的永磁磁場(chǎng)大小變化但方向不變，而定子中的永磁磁場(chǎng)為恒定磁場(chǎng)。</p><p>　　永磁磁場(chǎng)用作磁軸承的

45、偏置磁場(chǎng)時(shí)，在理想情況下，被支撐轉(zhuǎn)子處于平衡位置，X軸、Y軸的正負(fù)方向受到相同的吸力，保證轉(zhuǎn)子在平衡位置穩(wěn)定懸??；如果被支撐轉(zhuǎn)子由于擾動(dòng)而偏離平衡位置， 則氣隙小的一側(cè)將受到更大的吸引力，從而使轉(zhuǎn)子更加偏離平衡位置。所以單靠永磁磁場(chǎng)的作用，不能保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。</p><p>　?、?電勵(lì)磁磁場(chǎng)用作調(diào)節(jié)磁場(chǎng)</p><p>　　混合磁軸承定子有 8 個(gè)磁極，即X軸、Y軸各有4個(gè)磁極，這

46、四個(gè)磁極中的線(xiàn)圈或串聯(lián)或并聯(lián)，所產(chǎn)生電勵(lì)磁磁場(chǎng)的磁路分別如圖2-3(a)和圖2-3(b)所示(圖 2-3(b)中只畫(huà)出Y軸上的 4 個(gè)磁極線(xiàn)圈)，從圖中可見(jiàn)，電勵(lì)磁磁路的路徑為(以Y軸的磁極線(xiàn)圈為例)：左邊的上定子磁極－定子軸向?qū)Т盆F心軛－右邊的上定子磁極－右邊的上氣隙－右邊的上轉(zhuǎn)子鐵心－右邊轉(zhuǎn)子鐵心周向軛－右邊的下轉(zhuǎn)子鐵心－右邊的下氣隙－右邊的下定子鐵心磁極－定子軸向?qū)Т跑棧筮叺南露ㄗ予F心磁極－左邊的下氣隙－左邊的下轉(zhuǎn)子鐵心－左邊轉(zhuǎn)

47、子鐵心周向軛－左邊的上轉(zhuǎn)子鐵心－左邊的上氣隙－左邊的上定子鐵心磁極。</p><p>　　從圖2-3中可以看出，永磁氣隙磁通密度和電磁氣隙磁通密度在上、下氣隙中具有不同的疊加效果：若上側(cè)氣隙中兩氣隙磁通密度同方向，則下側(cè)氣隙中兩氣隙磁通密度反方向。 改變電流的方向?qū)⑹闺妱?lì)磁氣隙磁通密度的方向隨之發(fā)生改變。如圖2-3(a)所示，轉(zhuǎn)子在平衡位置時(shí)，電磁磁通φe 為0，轉(zhuǎn)子僅靠永磁磁場(chǎng)懸浮支撐；如果由于擾動(dòng)，轉(zhuǎn)子偏離平

48、衡位置向下偏移x，此時(shí)上側(cè)氣隙將加大，從而導(dǎo)致永磁氣隙磁通密度降低，上側(cè)永磁吸力減??；下側(cè)氣隙將減小，使得永磁氣隙磁通密度增大，下側(cè)永磁吸力增大。若只在永磁磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子更有偏離平衡位置下移的趨勢(shì)。如果施以如圖 2-3(a)所示的電勵(lì)磁磁場(chǎng)，使電磁氣隙磁通密度和永磁氣隙磁通密度在上側(cè)氣隙疊加，在下側(cè)氣隙抵消，并使上側(cè)氣隙的合成氣隙磁通密度大于下側(cè)氣隙的合成氣隙磁通密度，從而使轉(zhuǎn)子受到一向上的回復(fù)力作用，可保證轉(zhuǎn)子回復(fù)到平衡位置。同樣，

49、若轉(zhuǎn)子偏離平衡位置向上移動(dòng)一位移，可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流的方向來(lái)改變電勵(lì)磁磁場(chǎng)的方向，就可產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子回到平衡位置的回復(fù)力。</p><p>　?、逵来糯怕放c電磁磁路</p><p>　?。╞）Y軸中的電勵(lì)磁磁路</p><p>　　圖 2-3 永磁磁路與電磁磁路</p><p>　　第三章 混合磁軸承的磁路分析計(jì)算</p>&l

50、t;p>　　3.1 永磁磁路計(jì)算</p><p>　　為分析方便，不計(jì)漏磁及鐵心磁路磁阻，忽略了磁路的飽和，采用疊加原理對(duì)其磁路進(jìn)行分析。圖3-1為轉(zhuǎn)子磁體永磁偏置混合磁軸承永磁磁路的等效磁路。其中，為永磁體磁動(dòng)勢(shì)源的計(jì)算磁動(dòng)勢(shì)，對(duì)于給定的永磁體性能和尺寸，它是一個(gè)常數(shù)，并表示為下式：</p><p>　　其中，為永磁體的矯頑力，為永磁體磁化方向長(zhǎng)度。</p><

51、p>　　為永磁體的內(nèi)磁導(dǎo)，對(duì)于給定的永磁體性能和尺寸，它是一個(gè)常數(shù)，表示為下式：</p><p>　　其中，為永磁體的供磁面積，， 分別為真空磁導(dǎo)率和永磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率：N為線(xiàn)圈匝數(shù)，、 分別為 X、Y軸線(xiàn)圈中的控制電流，、、、分別為 X軸、Y軸的正、負(fù)方向的氣隙磁導(dǎo)假定 g 為磁軸承的平衡氣隙,x，y 分別為磁軸承轉(zhuǎn)子在 X軸、Y軸方向的偏移量，規(guī)定當(dāng)轉(zhuǎn)子向坐標(biāo)軸的正方向偏移時(shí) x，y 取為正值，當(dāng)轉(zhuǎn)子向

52、坐標(biāo)軸的負(fù)方向偏移時(shí) x，y 取為負(fù)值，A 為一個(gè)定子磁極弧面的面積，則上述各氣隙磁導(dǎo)可表示為:</p><p>　　在平衡位置，上述各氣隙磁導(dǎo)相同，并表示為：</p><p>　　由轉(zhuǎn)子磁體磁軸承永磁磁路的等效磁路及其簡(jiǎn)化磁路可得到各永磁磁通為</p><p>　　式中，為永磁體提供的總磁通，，，，分別為四個(gè)氣隙處的永磁磁通。所以，當(dāng)氣隙間距離增大時(shí)磁導(dǎo)降低，從而

53、永磁磁通降低。</p><p>　?。╝）永磁磁路的等效磁路</p><p><b>　?。╞）簡(jiǎn)化磁路</b></p><p>　　圖3-1磁軸承永磁磁路的等效磁路及其簡(jiǎn)化磁路</p><p>　　3.2電勵(lì)磁磁路計(jì)算</p><p>　　現(xiàn)在分析磁軸承的電勵(lì)磁磁路，其等效磁路如圖3-2所示，其

54、中，、分別為X軸和Y軸線(xiàn)圈的電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，、分別為X軸正、負(fù)向氣隙處的電勵(lì)磁磁通，、分別為Y軸正、負(fù)向氣隙處的電勵(lì)磁磁通。由疊加原理，可將電勵(lì)磁磁場(chǎng)的作用看作為Y軸向電勵(lì)磁磁場(chǎng)和X軸向</p><p>　　電勵(lì)磁磁場(chǎng)作用的合成，因此圖3-2的電勵(lì)磁磁路的等效磁路可分解為圖3-3(a)和圖3-3(b)。 先分析僅有Y軸向電勵(lì)磁磁場(chǎng)作用時(shí)的等效磁路如圖3-3(a)所示，磁通上標(biāo)為Y表示該磁通由Y軸向線(xiàn)圈產(chǎn)生，磁通上標(biāo)

55、為X表示該磁通由X軸向線(xiàn)圈產(chǎn)生，由磁路知識(shí)將該磁路簡(jiǎn)化為圖3-4，其中，,分別為X軸向和Y軸向的電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。</p><p>　　圖3-2轉(zhuǎn)子磁體混合磁軸承電勵(lì)磁磁路的等效磁路</p><p>　　（a）Y軸向電勵(lì)磁磁場(chǎng)單獨(dú)作用</p><p>　?。╞）X軸向電勵(lì)磁磁場(chǎng)單獨(dú)作用</p><p>　　圖3-3電勵(lì)磁等效磁路的分解</p

56、><p>　　圖3-4圖 3-3(a)的簡(jiǎn)化磁路</p><p>　　等效磁路為線(xiàn)性磁路，可用疊加原理分析電勵(lì)磁磁路，把磁軸承Y軸向的上磁極線(xiàn)圈的作用和下磁極線(xiàn)圈的作用單獨(dú)分析，當(dāng)僅有上磁極線(xiàn)圈作用時(shí)其磁路等效過(guò)程如圖3-5所示,各氣隙磁路的電勵(lì)磁磁通為、、、當(dāng)僅有下磁極線(xiàn)圈作用時(shí)各氣隙磁路的電勵(lì)磁磁通為、、、，上、下磁極線(xiàn)圈的共同作用如圖 3-6 所示，圖中，實(shí)線(xiàn)為上磁極線(xiàn)圈作用，虛線(xiàn)為下磁

57、極線(xiàn)圈的作用。參考等效磁路計(jì)算上磁極線(xiàn)圈產(chǎn)生的各電勵(lì)磁磁通、、、為:</p><p>　　同理，計(jì)算下磁極線(xiàn)圈產(chǎn)生的各電勵(lì)磁磁通，，，為：</p><p>　　上下磁極線(xiàn)圈的電勵(lì)磁磁通方向如圖3-6所示，取上磁極線(xiàn)圈(即正Y軸方向)產(chǎn)生的磁通方向?yàn)閰⒖颊较颍莎B加原理知Y軸線(xiàn)圈產(chǎn)生的各電勵(lì)磁磁通為：</p><p>　　圖3-5僅有Y軸上磁極線(xiàn)圈作用時(shí)等效磁路及其

58、簡(jiǎn)化</p><p>　　圖3-6Y軸上下磁極線(xiàn)圈共同作用時(shí)的等效磁路</p><p>　　同理，將X軸正、負(fù)向線(xiàn)圈的作用單獨(dú)分析，取正X軸方向的磁極線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通方向?yàn)閰⒖颊较颍?jì)算X軸線(xiàn)圈產(chǎn)生的各電勵(lì)磁磁通為：</p><p>　　結(jié)合圖 3-2 和圖 3-3 將X軸和Y軸線(xiàn)圈的作用疊加后可得各氣隙的合成電勵(lì)磁磁通為：</p><p>

59、　　由磁路基爾霍夫第一定律知，參見(jiàn)圖3-2并將式(3-11)代入，得成立，證明了磁軸承等效磁路推導(dǎo)的正確性?；旌洗泡S承的各氣隙磁通由永磁磁通和電勵(lì)磁磁通合成為：</p><p>　　3.3 最大承載力計(jì)算</p><p>　　隨著控制電流的增加，其產(chǎn)生的電勵(lì)磁磁通也逐漸增大，由于永磁偏置氣隙磁通恒定不變，當(dāng)電勵(lì)磁磁通與永磁偏置氣隙磁通大小相等、方向相反時(shí)，磁軸承一側(cè)的合成氣隙磁通為零，此時(shí)

60、，該側(cè)的電磁吸力為零，而另一側(cè)為最大值。定義合成氣隙磁通為零時(shí)的勵(lì)磁電流為最大控制電流 。最大承載力定義為轉(zhuǎn)子位于平衡位置且加最大控制電流時(shí)磁軸承轉(zhuǎn)子所受電磁力。由式(3-12)可得到轉(zhuǎn)子在X、Y軸向所受到的恢復(fù)電磁力、分別為：</p><p>　　在平衡位置時(shí)，有成立，代入式，，，化簡(jiǎn)得：</p><p>　　由式(3-12)、(3-13)、(3-14)、(3-15)可解得最大承載力為：

61、</p><p>　　然當(dāng)電流取最大值 時(shí)，，達(dá)最大值，從而得到最大承載力。</p><p>　　3.4 最大起浮力計(jì)算</p><p>　　最大起浮力是指轉(zhuǎn)子由保護(hù)軸承支撐且加最大控制電流時(shí)，磁軸承產(chǎn)生的最大承載力。假定保護(hù)軸承平衡氣隙為，則將式(3-3)中的x、y替代為，并將控制電流取為最大值，計(jì)算得到的電磁力即為最大起浮力。式(3-5)～(3-13)同樣適用于

62、計(jì)算最大起浮力，只是氣隙磁導(dǎo)不同而已。以計(jì)算Y軸向最大起浮力為例，此時(shí)令，以代替y得式(3-17)，將式(3-17)分別代入式（3-5)～(3-13)中即可計(jì)算出最大起浮力。</p><p>　　3.5 混合磁軸承的磁路耦合性分析</p><p>　　磁軸承系統(tǒng)正常工作時(shí)，最大允許的偏心位移一般小于平衡氣隙的1/10，即,<10g％根據(jù)式(3-11)定量地討論磁軸承磁路的耦合性如下：

63、</p><p>　　當(dāng)，即磁軸承轉(zhuǎn)子位于平衡位置時(shí)，有</p><p>　　成立，也就是說(shuō)，此時(shí)X軸和Y軸磁路完全解耦，無(wú)磁耦合存在。</p><p>　　當(dāng)，即磁軸承轉(zhuǎn)子在X軸方向位于平衡位置而在Y軸方向發(fā)生偏移時(shí)。 若考慮極限偏移情況，取y=10g％，即，代入式(3-11)，有</p><p>　　成立，可見(jiàn)此時(shí)X軸和Y軸有磁耦合存在，

64、但Y軸線(xiàn)圈在X軸線(xiàn)圈的正，負(fù)向產(chǎn)生的電勵(lì)磁磁通大小相同方向相反，從而其作用相互抵消。當(dāng)磁軸承轉(zhuǎn)子在Y軸方向?yàn)橛谄胶馕恢枚赬軸方向發(fā)生偏移時(shí)，結(jié)論相同。</p><p>　　當(dāng)，，即磁軸承轉(zhuǎn)子在X軸和Y軸方向均發(fā)生偏移時(shí)，取x=y=10g％為例，則，，代入式（3-11）有：</p><p>　　從上式可以看出，Y(X)軸線(xiàn)圈在X(Y)軸向產(chǎn)生的電勵(lì)磁磁通大約是X(Y)軸向控制線(xiàn)圈產(chǎn)生的控制

65、磁通的1/20 左右，可見(jiàn)，X軸和Y軸向控制磁通的相互耦合很小可忽略不計(jì)。</p><p>　　3.6 混合磁軸承的電流剛度和位移剛度</p><p>　　由于磁軸承在正常運(yùn)行時(shí)電勵(lì)磁線(xiàn)圈電流產(chǎn)生的控制磁通比永磁體產(chǎn)生的偏置磁通小得多，而且轉(zhuǎn)子的偏移一般不會(huì)大于平衡氣隙g的十分之一，所以由式(3-13) 將磁懸浮力在點(diǎn)x=0， 處進(jìn)行泰勒展開(kāi)，并且忽略二階導(dǎo)數(shù)及以上的高次項(xiàng)后得到：<

66、/p><p>　　上式中第一項(xiàng)和第二項(xiàng)的系數(shù)分別為磁軸承X軸方向的電流剛度和位移剛度，即</p><p>　　同理將磁懸浮力在點(diǎn)y=0，處泰勒展開(kāi)，得</p><p>　　由上述公式可知，磁路不飽和時(shí)，磁軸承的電流剛度和永磁體的磁動(dòng)勢(shì)成正比，與對(duì)應(yīng)線(xiàn)圈的電流無(wú)關(guān)；位移剛度與磁動(dòng)勢(shì)的平方成正比。因此在磁軸承的氣隙、磁極面積等參數(shù)確定的情況下，永磁體的磁動(dòng)勢(shì)越大，則磁軸承的

67、承載能力越大。</p><p><b>　　主要參考資料：</b></p><p>　　[1] 施韋策.G，等.主動(dòng)磁軸承基礎(chǔ)、性能及應(yīng)用.北京現(xiàn)代出版社，1997</p><p>　　[2] 胡業(yè)發(fā)，周祖德，江征風(fēng).磁力軸承的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[3] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電

68、機(jī)理論與設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[4] 李會(huì)栓. 磁軸承的發(fā)展及應(yīng)用綜述.微電機(jī),2006,39(7)等</p><p>　　[5] Coombs T．Campbell A M．Storey R. Weller R．．Superconducting Magnetic Bearing for Energy Storage Flywheels.IEEE Supe

69、rconductivity,Vol.9,No.2,June 1999,968-971</p><p>　　[6] 施韋策.G。主動(dòng)磁軸承基礎(chǔ)、性能及應(yīng)用[M]， 北京： 新時(shí)代出版社， 1997年</p><p>　　[7] 趙雪山。永磁偏置徑向軸向磁軸承 H<∞>控制系統(tǒng)的研究，碩士論文，南京，南京航空航天大學(xué)，2004</p><p>　　[8

70、] 王冠。永磁偏置磁懸浮軸承研究，碩士論文，南京，南京航空航天大學(xué)，2004</p><p>　　[9] 曾勵(lì)。永磁偏置的電磁軸承的研究，博士后論文，南京，南京航空航天大學(xué)，1999</p><p>　　[10] 蔣書(shū)運(yùn) 衛(wèi)海崗 沈祖培 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2000(10)第21卷 第四期 Vo l 1 21, No13</p><p>　

71、　[11] 魏勇 張大衛(wèi) 永磁磁懸浮軸承 MC 現(xiàn)代零部件 2004(8)</p><p>　　[12] 周宇 蔣書(shū)運(yùn) 趙雷 磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)研究進(jìn)展 低溫與超導(dǎo) CRYO GEN ICS AND SU PERCONDU CT IV 第31卷 第1期 2003年2月</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在經(jīng)

72、過(guò)一個(gè)月的努力之后我終于完成了關(guān)于轉(zhuǎn)子磁體混合磁軸承的電磁設(shè)計(jì)的畢業(yè)論文。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中我由一開(kāi)始的一知半解到最后的基本掌握，我收獲了成功的喜悅。在此期間，老師和同學(xué)都給了我很大的幫助與鼓勵(lì)。</p><p>　　首先，感謝老師在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的指導(dǎo)，在老師的細(xì)心指導(dǎo)下我才能夠得以順利的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間老師每個(gè)星期讓我們匯報(bào)這周以來(lái)畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)程，提供給我們?cè)O(shè)計(jì)資料。同時(shí)，對(duì)我們?cè)谶@一

73、周里遇到的不懂得問(wèn)題能夠耐心講解，使我們完全理解為止。在做這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅使我學(xué)習(xí)了新的知識(shí)，也使得我此過(guò)程當(dāng)中能夠溫故以前所學(xué)的知識(shí)，在此，我衷心的感謝老師的幫助和支持。</p><p>　　其次，我要感謝我的同學(xué)，是他們讓我懂得團(tuán)結(jié)的力量。當(dāng)我在一些技術(shù)或理論方面的知識(shí)存在不懂時(shí)，他們都會(huì)無(wú)私的幫助我解決我所遇到的困難。</p><p>　　感謝所有為我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)提供幫助的老師