摘 要

电磁轴承是一种无油轴承，当用于使旋转轴悬浮起来时，相对运动不产生摩擦或磨损。它们被用于许多工业应用，如压缩机、涡轮机、泵、马达和发电机。电磁轴承不仅能实现悬浮功能还能实现振动控制，在旋转机械的发展中有重要意义。

磁轴承可能应用于海洋工程已经得到试验，它们的低滚动阻力和长寿命是一个很大的优势。本文根据某船舶艉轴对支承系统的承载力要求，用电磁轴承代替艉轴上原有的轴承。考虑到定子形状以及定子极数对电磁轴承工作性能的影响，将12磁极型径向电磁轴承作为设计分析。根据电磁轴承的工作原理以及设计要求，对电磁轴承的结构展开设计。最终建立电磁轴承的三维模型，基于有限元软件，对通入偏置电流的电磁轴承电磁特性仿真。

控制器是电磁轴承系统的关键和核心，PID控制器发展成熟，设计简单，在电磁轴承系统中得到了广泛应用。本文简要地介绍了PID控制器，并简要研究了PID控制下对转子的振动控制效果。

关键词:径向电磁轴承；建模；结构设计；有限元分析；电磁力；PID控制器

Abstract

The electromagnetic bearing is an oil-free bearing. When it is used to suspend the rotating shaft, the relative motion does not produce friction or wear. They are used in many industrial applications, such as compressors, turbines, pumps, motors, and generators. Electromagnetic bearings can not only realize the suspension function but also realize the vibration control, which is of great significance in the development of rotating machinery.

Magnetic bearings may have been tested in marine engineering, and their low rolling resistance and long life are a great advantage. In this paper, electromagnetic bearing is used to replace the original bearing on the stern shaft according to the bearing capacity requirement of the stern shaft to the supporting system. Considering the influence of the shape of stator and the number of stator Poles on the performance of Amb, the 12-pole e-type radial amb was designed and analyzed. According to the working principle and design requirements of Amb, the structure of Amb is designed. Finally, the three-dimensional model of Amb is established, and the electromagnetic characteristics of Amb with input bias current are simulated based on finite element software.

The controller is the key and core of the electromagnetic bearing system. The PID controller is mature and simple in design, and is widely used in the electromagnetic bearing system. This article briefly introduces the PID controller and briefly studies the effect of PID control on the rotor vibration control.

Key words:radial electromagnetic bearing；modeling； structural design；finite element analysis；electromagnetic force； vibration contro

目 录

第1章 绪论 1

1.1电磁轴承系统概述 1

1.1.1电磁轴承的发展历史 1

1.1.2电磁轴承的分类 3

1.1.3电磁轴承系统简介 4

1.2电磁轴承振动控制介绍 7

1.2.1转子振动问题 7

1.2.2 转子振动控制研究现状 7

1.3 论文主工作和内容 8

1.3.1 论文的主要内容 8

1.3.2 论文的工作安排 8

第2章 电磁轴承的工作原理 9

2.1 工作原理 9

2.2 电磁轴承的结构 10

2.2.1 定子形状 10

2.2.2 E型径向电磁轴承磁力计算 11

2.3 本章小结 13

第3章 电磁轴承的设计与分析 14

3.1 确定设计条件 14

3.1.1确定支承力的大小 14

3.1.2磁铁材料的选择 16

3.1.3其他设计参数 17

3.2径向电磁轴承结构参数设计 18

3.3径向电磁轴承电磁特性的有限元分析 22

3.4 本章小结 26

第4章 转子振动主动控制 27

4.1 PID控制介绍 27

4.2 PID多自由度电磁轴承系统模型 28

4.3轴系固有振动特性 29

4.3.1轴系固有频率理论计算 29

4.3.2 传递特性 31

4.4 本章小结 32

第5章 总结与展望 34

5.1 论文总结 34

5.2 后续工作与展望 34

参考文献 35

致 谢 36

第1章 绪论

电磁轴承是利用磁场力将转子无接触地悬浮在空间的新型机电一体化轴承，它综合运用了机械学、转子动力学、电磁学、电子学、控制理论和计算机科学等多学科知识，是一项高科技前沿技术。

传统的滚子轴承和滑动轴承在各类机械领域有十分广泛的应用，但也面临许多限制条件。电磁轴承作为多学科一体化产品在高端装备制造中具有许多优点，有着很好的发展和应用前景：（1）由于电磁轴承定子和转子之间无接触，所以无需考虑润滑以及磨损，这使得电磁轴承能够应用于对环境要求高的场合。（2）磁轴承的承载力是衡量电磁轴承性能的重要参数，磁铁材料选择和轴承定子转子结构尺寸是设计电磁轴承的重要因素。轴承的承载能力与轴承的横截面积成正比，故电磁轴承的性能与电磁轴承的结构设计息息相关。（3）轴承的功率损耗低，远远低于传统轴承。最低可达传统轴承的，能极大地减少运行费用。（4）由于完全没有机械磨损，所以维护次数大大减少，维护成本低而且拥有较长的工作寿命。（5）传统轴承受到转速以及压强的影响必须限制转轴的最大转速，在没有轴和轴承之间的摩擦的情况下，可以获得更高的速度，达到轴的屈服强度。由于没有润滑密封，尺寸和强度极限可以改变，允许使用更大和更坚硬的轴。增加轴的刚度提供了许多优点和解决问题发生在高速以及那些来自振动问题。（6）电磁轴承在工作时，它的动态性能是否满足工作要求主要取决于所控制器以及控制规律，也正因为如此可以实现人为控制刚度和阻尼的大小，使得电磁轴承能够适应不同的工作条件并达到预设结果，包括平稳地通过转子的临界转速以及减少转子的振动等等。（7）转子的运转精度以及运转平稳性主要取决于控制器和控制算法的测量精度。

1.1电磁轴承系统概述