永磁偏置磁懸浮軸承的研究.pdf

1、永磁偏置磁懸浮軸承利用永磁體產(chǎn)生偏置磁通，降低了磁軸承的勵磁功耗，且體積重量均有所減小，同時，每個自由度的功率放大器由兩個減為一個，系統(tǒng)的可靠性得以提高，使其在儲能飛輪、動量飛輪及航空航天等高速電機應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。鑒于永磁偏置磁軸承的諸多優(yōu)點和廣泛用途，本文對包括同極性徑向、異極性徑向、軸向徑向及軸向等各類永磁偏置磁軸承，從拓撲結(jié)構(gòu)、精確等效磁路、數(shù)學(xué)模型、參數(shù)設(shè)計、有限元仿真分析、實驗驗證等方面進行了較為系統(tǒng)的研究。

2、>　　 同極性永磁偏置徑向磁軸承磁滯損耗小、控制方便、應(yīng)用廣泛。本文對其多種拓撲結(jié)構(gòu)進行了分析，提出了一種新結(jié)構(gòu)同極性永磁偏置徑向磁軸承，其中鑒于等效磁路對磁軸承的理論分析和參數(shù)設(shè)計的影響，在二維有限元仿真的基礎(chǔ)上構(gòu)建其精確等效磁路，推導(dǎo)出該型磁軸承的承載力、力/位移系數(shù)及力/電流系數(shù)的數(shù)學(xué)表達式。另外，還提出一種在充分考慮漏磁和軟磁材料磁阻的影響下，以滿足承載力所需的偏置磁場與控制磁場的磁通量為基本目標，通過降低轉(zhuǎn)子鐵心損耗、優(yōu)化定

3、子齒槽、考慮永磁材料實際加工誤差等一系列措施，結(jié)合精確等效磁路對永磁材料和定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)設(shè)計方法。最后，對以上設(shè)計結(jié)果進行了三維有限元仿真分析，并制作了一套五自由度實驗平臺，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)軸0～20000r/min的穩(wěn)定懸浮。理論和實驗結(jié)果表明：同極性永磁偏置徑向磁軸承結(jié)構(gòu)較緊湊，控制方便，懸浮性能優(yōu)良，文中提出的參數(shù)設(shè)計方法合理。
　　 相比于同極性徑向磁軸承，異極性永磁偏置徑向磁軸承結(jié)構(gòu)簡單、軸向長度短。本文對該

4、結(jié)構(gòu)的多種拓撲進行了分析，其中重點研究了一種八磁極異極性永磁偏置徑向磁軸承，對其進行理論分析，推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，并對其進行了參數(shù)設(shè)計，研究了氣隙偏置磁密的大小對結(jié)構(gòu)和性能的影響。對設(shè)計結(jié)果進行了三維仿真分析，制作了一兩自由度實驗平臺，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)軸0～7200r/min的穩(wěn)定懸浮。理論和實驗結(jié)果表明：異極性永磁偏置徑向磁軸承結(jié)構(gòu)簡單，偏置磁場和控制磁場共面，軸向長度相對較短，懸浮性能較為優(yōu)良，但未有主動控制的永磁磁極對懸浮性能有一定的影響。<

5、br>　　 永磁偏置軸向徑向磁軸承充分利用了永磁體磁能，其結(jié)構(gòu)最為緊湊。本文在深入研究一種經(jīng)典結(jié)構(gòu)的永磁偏置軸向徑向磁軸承的基礎(chǔ)上，提出一種新型結(jié)構(gòu)：其利用位于轉(zhuǎn)子鐵心兩側(cè)的兩個環(huán)形永磁體提供偏置磁通，結(jié)構(gòu)十分緊湊；且軸向定子位于徑向定子外部，因而，軸向控制磁通和徑向控制磁通彼此解耦。文中對其理論模型和參數(shù)設(shè)計進行了深入研究，完成了三維仿真分析和原理樣機實驗驗證，結(jié)果表明：永磁偏置軸向徑向磁軸承充分利用了永磁材料的磁能，結(jié)構(gòu)最為緊湊，

6、控制方便，但設(shè)計安裝較為困難。
　　 永磁偏置軸向磁軸承結(jié)構(gòu)簡單，可獨立控制。本文提出了一種新型永磁偏置軸向磁軸承以及非對稱氣隙下的低功耗懸浮策略，給出了詳細的理論分析和參數(shù)設(shè)計過程。三維有限元仿真結(jié)果表明：新型永磁偏置軸向磁軸承結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便，且不對稱氣隙的低功耗懸浮策略相比于對稱氣隙，懸浮功耗大幅降低，使其與永磁磁力軸承構(gòu)成的低功耗五自由度磁懸浮系統(tǒng)，能夠滿足飛輪儲能電池等綠色能源裝置中對軸承支撐功耗的嚴格要求。