论文总字数：21084字

摘 要

由于永磁偏置磁轴承功耗低、体积小的特点，它逐渐成为磁轴承研究中的一个重要分支。永磁偏置磁轴承不仅可应用于储能装置、高速列车，而且可以应用于医学领域中人造心脏的制造。随着技术的发展，永磁偏置磁悬浮轴承的应用前景更加广阔。本次毕业设计基于两自由度永磁偏置磁轴承的设计过程，设计一种可以控制四个自由度的永磁偏置磁轴承系统。

本文主要分析影响磁轴承性能的一些因素，比如转子结构，永磁体结构，气隙大小、永磁材料等；并简要介绍径向四自由度永磁偏置磁轴承的两种拓扑结构和工作原理，并选择一种结构进行参数设计。利用ANSYS软件对模型进行静态仿真分析，得到径向气隙磁场的数据波形、静态承载力以及转子的电流刚度和位移刚度。与主动型磁轴承进行比较，分析各自的优缺点。

最后对本次设计中的不足进行总结，并对永磁偏置轴承未来发展进行展望。

关键词：永磁偏置 四自由度 有限元分析 磁轴承

Design of 4-DOF permanent magnet biased radial magnetic bearing for vacuum pipeline

ABSTRACT

The permanent magnet biased magnetic bearing has gradually become an important branch of magnetic bearing research for its low power consumption and small size. In flywheel energy storage, aerospace, high-speed traffic and other high-demand occasions, permanent magnet biased magnetic bearings are more widely used. This graduation design uses the structure of the two-DOF PBRMB for reference and designs a PBRMB with four degrees of freedom which is used in vacuum pipeline.

This graduation paper mainly analyses some elements that affect the property of magnetic bearings, such as the structure of rotor, permanent magnet construction, air gap size, the material of permanent magnet, and so on. It briefly introduces two types of magnetic bearing topology and working theory of the four-DOF PBRMB, and selects the second topology to design its arguments. By making use of ANSYS EDT, Static simulation analysis can be finished. What’s more, the waveform of radial air gap field, statical radial capacity, the rotor’s current stiffness and displacement stiffness will be gained. By comparing with active magnetic bearings, the analysis of their advantages and shortcomings can be achieved.

Finally, the shortcomings of this design are summarized, and the future development of permanent magnet bias bearing is prospected.

Key words: Permanent magnet bias;four degrees of freedom,;finite element analysis; magnetic bearing

目 录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 永磁偏置磁悬浮轴承概述 1

1.3 国内外发展研究现状 2

1.3.1 国外发展及现状 2

1.3.2 国内发展及现状 3

1.3.3 现有技术存在的问题与不足 3

1.4 论文内容安排 4

第二章 四自由度永磁偏置径向磁轴承拓扑设计 5

2.1 影响磁轴承工作性能的主要因素 5

2.2 永磁偏置磁悬浮轴承控制方法 8

2.3 拓扑结构设计 9

2.3.1 拓扑结构一设计 9

2.3.2 拓扑结构二设计 11

2.4与主动型磁力轴承比较 13

2.4.1 永磁偏置磁悬浮轴承特点 13

2.4.2 主动型磁轴承特点 14

第三章 磁轴承参数设计 16

3.1 参数设计方法 16

3.2 参数计算公式 17

第四章 模型仿真分析 21

4.1 三维模型图 21

4.2 剖分质量评价 22

4.3 径向气隙磁场仿真 22

4.3.1 控制磁场仿真 22

4.3.2 偏置磁场仿真 23

4.3.3 叠加磁场仿真 24

4.4 静态悬浮力仿真 25

4.5 转子电流刚度和位移刚度仿真分析 25

4.5.1 电流刚度仿真分析 25

4.5.2 位移刚度仿真分析 26

4.6 绕组电感计算 27

第五章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 永磁偏置径向磁轴承未来展望 28

参考文献 30

致谢 33

符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

随着工业制造突飞猛进，航空航天、飞轮储能等领域的旋转设备发展趋向于高速度、高精度、智能化，轴承的设计标准也更加严格^[1]。在传统机械轴承中，转轴需要与轴承进行物理接触以实现支承，所以机械轴承在高速运转时容易发热且磨损较大，这对于轴承使用寿命有很大影响。针对该问题，气浮轴承和液浮轴承相继产生^[2]。但是由于轴承系统结构复杂、体积过于庞大以及效率底下的问题，这两种轴承也无法满足工业应用的要求。磁悬浮轴承利用电磁力使转轴与轴承之间没有机械摩擦，让转子能够悬浮在定子中心。该类型高性能轴承具备转速高、能量损耗低、没有机械磨损、控制灵活等优点，所以在高速、真空和洁净等不同场合下^[3]，磁悬浮轴承得到广泛的应用。随着中国高速交通的发展，虽然研究人员热衷于提高交通工具的运行速度，但大部分的陆地交通工具行驶速度都存在一个瓶颈。由于地表的大气层极其稠密，空气阻力和噪音也随速度的提升而增大^[4]，正常大气压下，大幅提升运行速度是非常困难的。为弱化大气环境对运行速度的影响，研究人员开始考虑低压环境，即在真空管道内开展设计。在保持管道密闭的前提下，为磁浮列车创造一个接近于真空的低压运行环境，不仅能够经济地提升磁浮列车运行速度，而且也降低了列车行驶过程中所受的空气阻力，四自由度永磁偏置磁轴承设计有利于真空管道内磁浮列车的发展。

1.2 永磁偏置磁悬浮轴承概述

根据提供磁力的元件将磁轴承分为：主动类型的磁力轴承、被动类型的磁力轴承、混合型的磁力轴承。

主动型磁轴承改变定子绕组上通过的电流来产生不同的电磁力，使得转子悬浮在定子中，不与定子有机械接触。轴承内元件有电磁线圈、控制系统、位移传感器和功放装置。它的主要工作原理是在磁极上安装产生励磁的电流绕组，当转子偏离中心位置，通过传感器发出转子偏移信号，系统控制改变电磁线圈中通过的电流，从而使得不同方向的磁吸力发生变化，使转子能够重新回到初始位置并稳定运行。被动型磁轴承通过永磁体产生的磁力来控制转子的悬浮性能。该类型磁轴承体积小，结构简单。并且它也不依靠控制系统维持转子稳定，攻放装置也可以省去，这在很大程度上降低了轴承的制造成本。但由于它不能实现转子彻底的悬浮，在某些特定场合下，该类型轴承存在一定的局限性。

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