微型抗磁軸承特性的研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)(Micro Electromechanical System,MEMS)是包含電子元件和其它微型實體(包括機械、熱、磁、流體、光學、化學、生物元件等)的集傳感器、執(zhí)行器、信號處理、通信、接口、控制電路以及電源于一體的系統(tǒng)。典型MEMS器件的特征尺寸大約在1μm-1cm之間,這種微型化的特點使得很多在宏觀尺度上無法應用的物理原理在微觀尺度上找到了實現(xiàn)的可能性,常溫無源式抗磁懸浮就是其中之一.
　　 抗磁材料是磁化率為負

2、值的磁性材料,包括金、銀、銅、鉛,石墨、水、有機化合物等。根據(jù)Earnshaw定理,鐵磁材料以及順磁材料之間的作用力不足以獨立實現(xiàn)穩(wěn)定的磁懸浮。若引入抗磁材料,利用其對外磁場輕微的抵制作用,則可實現(xiàn)常溫下的無源穩(wěn)定磁懸浮.抗磁懸浮原理雖然在一些高精密的科學傳感器中有應用,但由于抗磁材料的磁性過于微弱,無法提供足夠的承載力,在軸承中的應用還尚未涉及。根據(jù)電磁力的尺度效應分析可知,永磁體磁場梯度隨系統(tǒng)特征尺度的減小而反比增大,由于抗磁效應正

3、比于磁場的梯度,抗磁懸浮得益于MEMS微小化的特點,可為微機械結構提供簡單有效的支撐方法。
　　 微型抗磁軸承的研究涉及到電磁理論、材料科學、工程設計、加工工藝等多個學科,具有豐富的內(nèi)涵,為微機電系統(tǒng)軸承的設計提供了一條新思路。本文以建立微型抗磁軸承基本設計理論體系為目標,主要研究內(nèi)容包括:
　　 (1)在抗磁懸浮原理微尺度有效性論證的基礎上,研究了適應微系統(tǒng)加工工藝的微型抗磁軸承基本設計方案,并根據(jù)磁場能量理論的計算結

4、果,研究了軸承設計參數(shù)對軸承承載力以及動力學參數(shù)的影響,探討了實現(xiàn)軸承穩(wěn)定懸浮的條件,提出了微型抗磁軸承優(yōu)化設計的方案；
　　 (2)抗磁軸承的非接觸式結構需要非接觸式的阻尼減振方式,可行的方案包括氣膜阻尼以及電渦流阻尼。對于電渦流阻尼,本文根據(jù)抗磁軸承的結構特性,采用薄板近似模型以及鏡像法建立了軸承電渦流的模型,分析了轉子軸向、徑向以及傾角方向電磁阻尼的特性,探討了電渦流阻尼對軸承旋轉損耗的影響,通過與氣膜阻尼的比較,論證了電

5、渦流阻尼器在微型抗磁軸承中應用的可行性。
　　 (3)在對微型抗磁軸承動力學參數(shù)分析的基礎上,建立了軸承的轉子動力學模型,分析了不同工況和設計方案下的軸承動力學特性,提出了改進軸承動態(tài)穩(wěn)定性的方案。
　　 (4)針對非理想加工條件引起的抗磁軸承磁偏心進行了研究,探討了永磁體的不對稱磁化以及抗磁材料磁性不均勻?qū)S承性能的影響,并分析了軸承的旋轉損耗特性。
　　 (5)對抗磁軸承的基本振動特性進行實驗研究。