發(fā)布時間：2020-07-15 10:03

【摘要】：現代工業(yè)的發(fā)展對旋轉機械的性能提出了更高的要求。為了追求更高的效率和更大的功率密度,眾多工業(yè)領域對轉子的轉速要求越來越高,甚至要求其在超臨界轉速工作,此時普通機械軸承通常難以滿足轉速要求。主動磁懸浮軸承采用可控承載力來支承轉子,消除了定轉子之間的機械接觸和機械摩擦。它具有許多優(yōu)點,如高轉速、低摩擦功耗、無需潤滑以及可控的剛度和阻尼等,被廣泛應用于高速離心風機、壓縮機、機床主軸、人工心臟、能源動力旋轉機械、化工旋轉機械、食品加工機械和航空航天設備等。目前,磁懸浮軸承已經成為學術界和工業(yè)界的研究熱點,是高端旋轉機械設備的理想支承軸承之一。磁懸浮軸承技術涉及眾多學科,如力學、機械學、轉子動力學、電磁學、電力電子學、控制工程和計算機科學等。因此,提高磁懸浮軸承性能是一項綜合工程。而磁懸浮軸承結構的合理設計與優(yōu)化是提高其性能的重要基礎技術。對于高速重載旋轉機械來說,其具有轉速高、載荷大、體積小的特點。若采用目前常用的E型軸向電磁軸承,會導致其推力盤轉子直徑大、應力大、易損壞,給軸向磁軸承的結構設計帶來了一定的挑戰(zhàn)。因此,本論文主要研究了高速重載情況下軸向磁軸承的結構形式改進和結構優(yōu)化設計方法。本文基于傳統(tǒng)E型軸向電磁軸承的結構,對其進行了改進,并針對改進型軸向電磁軸承結構,建立了考慮邊緣效應的等效磁路模型,給出了軸承承載力計算公式,以及結構設計過程及結構參數之間的制約關系。為了進一步降低推力盤轉子直徑和軸承功耗,在軸向磁軸承中引入永磁環(huán)來提供永磁偏置力,采用電磁力來提供動態(tài)恢復力,設計了一種軸向混合磁軸承。考慮邊緣效應,分別建立了該軸向混合磁軸承的永磁磁路等效模型和電磁磁路等效模型,推導了軸承承載力計算公式。在磁能積最大原則下,設計了偏置永磁環(huán)的結構參數,給出了結構設計方法和結構參數之間的關系。為了優(yōu)化結構參數,采用遺傳算法,并根據軸承承載力與結構參數之間的關系,以軸承尺寸最小和承載力最大為目標函數,分別對軸向電磁軸承及軸向混合磁軸承進行了結構參數優(yōu)化設計。在理論承載力均為3000N的要求下,與傳統(tǒng)E型軸向電磁軸承的推力盤半徑73.3mm相比,優(yōu)化后的改進型軸向電磁軸承的推力盤半徑為60mm,減少了 18.1%,優(yōu)化后的軸向混合磁軸承的推力盤半徑為55.4mm,減少了24.4%,大幅降低推力盤直徑�；�于等效磁路法,計算的軸向電磁軸承的承載力為2953.5N,與指標之間的偏差為-1.55%;計算的軸向混合磁軸承的承載力為3089N,與指標之間的偏差為2.97%,均滿足承載力設計要求。軸向電磁軸承及軸向混合磁軸承的優(yōu)化設計完成后,利用有限元仿真軟件分別對兩種結構進行仿真分析。軸向電磁軸承承載力仿真值為3007N,軸向混合磁軸承承載力仿真值為2992N,與等效磁路法計算的承載力之間的偏差不超過4%。并且等效磁路法和有限元仿真給出的軸向電磁軸承各部分磁通之間的偏差大多在5%以下,而軸向混合磁軸承的偏差稍大,在10%以下,但主磁極磁通的誤差也在5%以下,說明本文建立的考慮邊緣效應的等效磁路模型準確度較高。對優(yōu)化后的磁軸承在推力盤處于不同位移時的承載力及磁通密度進行仿真分析,進一步研究承載力及磁通密度與推力盤位移之間的關系。研究表明,本文改進設計的軸向磁軸承能夠在滿足高承載力的同時,大幅降低推力盤直徑,比較適合用來支承高速重載轉子。本文為后續(xù)高速、重載磁懸浮旋轉設備的發(fā)展奠定了基礎,具有一定的理論意義和工程價值。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH133.3
【圖文】：

＿ｙ方向控制線圈逡逑（ａ）徑向和軸向電磁軸承結構圖逡逑Ｚ〈／／〈’／／〈邋／邐／／／／／／／／邋邋／／／／／／／／逡逑邐Ｎ邐邐Ｎ邋Ｓ邋ｓ邋Ｎ邋Ｎ邋Ｓ逡逑Ｎ邐邐邋邐邋邐逡逑／＾－邐邐Ｓ邐邋念邋＾邐＾逡逑￣￣：ｓ—邐￣｜＿邋邐＾＾逡逑Ｎ邐逡逑邐邐邐邋Ｎ邋Ｓ邋Ｓ邋Ｎ邋Ｎ邋Ｓ逡逑＇ｍ逡逑（ｂ）徑向和軸向永磁軸承結構圖逡逑

圖３－丨軸向混合磁軸承常用結構形式逡逑圖３－ｌ（ｄ）所示的結構四，由定子軸向磁極、定子徑向磁極、控制線圈、徑向逡逑１８逡逑

控制磁通的磁路，可以降低勵磁功耗，但其具有軸向定子與徑向定子間的漏磁大逡逑的缺點［５３］。逡逑如圖３－ｌ（ｅ）所示的結構五，由定子磁極、控制繞組、永磁環(huán)以及一個推力盤逡逑等構成�？刂评@組產生的控制磁通流過推力盤兩側的主氣隙。兩個徑向充磁永磁逡逑環(huán)分別置于推力盤兩側的定子磁極中，產生偏置磁通。但這種結構形式會導致控逡逑制繞組中的電流波動較大，增加勵磁功耗［５４］。逡逑如圖３－１（0所示的結構六，由定子磁極、控制繞組、永磁環(huán)和推力盤等構成。逡逑兩個徑向充磁的永磁環(huán)產生偏置磁通。兩個繞組線圈串聯聯接，產生方向一致的逡逑控制磁通１５５］。逡逑結構四、五、六這三種結構形式除了產生軸向力外，還有徑向干擾力，增加逡逑了徑向控制的復雜性。逡逑綜合以上結構形式，本文采用了如圖３－２所示的軸向混合磁軸承結構，由兩逡逑個徑向充磁的永磁環(huán)、推力盤、控制繞組和定子磁極構成。逡逑Ｉ邋ｉ逡逑”６邋丨逡逑0＇ｈ２邐線，ｚ益逡逑罰邐永逡逑

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1 孫雷強;顧曦文;王麗艷;陶桂生;丁振國;朱均;;工作頻率對磁軸承穩(wěn)定性的影響研究[J];船電技術;2019年08期

2 趙鴻賓;;磁軸承研究現狀[J];國際學術動態(tài);1999年06期

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本文編號：2756349