電磁軸承系統(tǒng)磁場的有限元分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法.pdf

1、電磁軸承是利用電磁力使軸承穩(wěn)定懸浮起來且軸心位置可以控制的一種新型軸承，它具有定位精度高、適應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍廣、無接觸、無磨損、無需潤滑和壽命長等一般軸承所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是集機(jī)械學(xué)、電磁學(xué)、控制工程和計算機(jī)科學(xué)于一體的最具代表性的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電磁軸承已在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)和其他高新技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)的研究工作也正日益深入地進(jìn)行。 電磁軸承系統(tǒng)中各軸承之間以及它們與系統(tǒng)中的其它部件之間存在著復(fù)雜的電磁耦合關(guān)系，相互作用使得整個

2、系統(tǒng)的磁場分布情況大為改觀，導(dǎo)致傳統(tǒng)磁路法計算得出的軸承支承力與實際情況不符，進(jìn)而使控制器無法準(zhǔn)確控制軸系工作，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，論文采用有限元方法對電磁軸承—電機(jī)—轉(zhuǎn)子—機(jī)殼系統(tǒng)進(jìn)行整體的磁場分析計算，建立正確的電磁場相互作用概念，并估計其對電磁參數(shù)值的影響程度，進(jìn)一步提出更為精確的計算方法，從而便于電磁軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化和提高控制器工作的可靠性。 論文首先引入了電磁軸承系統(tǒng)的電磁學(xué)—力學(xué)模型以及它們的數(shù)學(xué)描述。然后

3、，討論了恒定磁場分析的基本原理及其有限元解法，并介紹了大型商用有限元軟件ANSYS求解電磁場問題的特點(diǎn)和一般步驟。在此基礎(chǔ)上，論文以一工業(yè)實用型磁懸浮支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)樣機(jī)為對象，利用ANSYS軟件對它的磁場分布情況進(jìn)行了局部的和整體的計算分析，研究了電磁推力軸承和徑向軸承各自的磁場形成規(guī)律、漏磁現(xiàn)象和整個系統(tǒng)中各軸承、各部件間的耦合效應(yīng)，并找出系統(tǒng)磁場分布的變化規(guī)律和影響因素。以此為依據(jù)，概括出電磁軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計的若干原則，并對設(shè)計優(yōu)化提供一

4、些參考性意見。以上分析計算中都考慮了電磁軸承工作中材料磁化特性的非線性問題。以磁路的基爾霍夫定律和歐姆定律為基礎(chǔ)，將電磁推力軸承的磁場模擬為等效電路網(wǎng)絡(luò)，通過對等效電路網(wǎng)絡(luò)的串、并聯(lián)分析，計算整體磁場中的磁通分布和電磁力，可得出與有限元分析相一致的結(jié)果，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的磁路分析方法，從而確認(rèn)了“等效網(wǎng)路法”對電磁推力軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的適用性。論文還計算分析了電磁推力軸承的位置剛度和電流剛度因轉(zhuǎn)軸漏磁和材料磁飽和引起的位移非線性現(xiàn)象，給出了

5、剛度—位移關(guān)系曲線，從而為改進(jìn)電磁軸承控制系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。最后，論文以傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，對一典型的應(yīng)用于高溫環(huán)境中的電磁軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用有限元方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得出溫度場分布的一般規(guī)律，總結(jié)出一些需考慮隔熱、冷卻的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。 本論文工作系“高檔數(shù)控機(jī)床中的主動磁懸浮技術(shù)”科研項目和“磁軸承智能化的機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究”科研項目的組成部分。該兩項目分別得到國家863高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(No.2001AA423310)和