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摘 要

永磁偏置磁轴承利用磁力支撑转轴，使其与其他部件之间无摩擦。因为它具有摩擦力小、转速快、成本低等优点，被广泛运用于涡轮机械、飞轮储能等领域。本文以五自由度永磁偏置磁悬浮轴承作为此背景下的研究对象，该轴承使用两个永磁体（PMR）用于涡轮扩张机，有两个径向磁轴承（RMB）单元，用四个磁极和一个推力磁轴承（TMB）来控制5自由度。主要研究内容为：使用等效磁路法来建立其数学模型，用SolidWorks画出1:1的SolidWorks 3D模型并导入ANSYS 2019限元分析软件进行分析。具体介绍了磁轴承的分析过程，比较其在永磁偏置磁场、径向轴向控制磁场和混合磁场下的径向和轴向气隙磁密分布，并对其进行电磁性能分析，计算出电流刚度和位移刚度。

关键词：磁悬浮轴承 永磁偏置 有限元

Magnetic suspension shaft with five degree of freedom permanent magnet bias for compression expander

Abstract

The permanent magnet biased magnetic bearing uses magnetic force to support the rotating shaft so that there is no friction between it and other components. Because it has the advantages of low cost, small friction and fast speed, and we can find broad application in turbine machinery, flywheel energy storage and other fields. In this paper, five degree of freedom permanent magnet biased magnetic bearing is taken as the research object under this background. The bearing uses two permanent magnets (PMR) for turbine expander, two radial magnetic bearing (RMB) units, four poles and one thrust magnetic bearing (TMB) to control five degree of freedom. The main research contents are: using equivalent magnetic circuit method to establish its mathematical model, using SolidWorks to draw a 1:1 SolidWorks 3D model, and importing ANSYS 2019 finite element analysis software for analysis. This paper introduces the analysis process of magnetic bearing, compares the magnetic density distribution of radial and axial air gap under the permanent magnet bias magnetic field, radial axial control magnetic field and mixed magnetic field, analyzes its electromagnetic performance, and calculates the current stiffness and displacement stiffness.

Key Words: magnetic bearing；Permanent magnet bias；Finite element

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 永磁偏置轴承概述 1

1.1.1 透平机械用磁悬浮轴承的研究现状 1

1.1.2 磁悬浮轴承现有技术存在的不足 3

1.2 论文工作的研究内容 3

1.2.1 论文工作的提出 3

1.2.2 论文工作的研究内容 3

第二章 五自由度永磁偏置磁轴承结构 5

2.1 影响磁悬浮轴承性能的主要因素及相互关联性 5

2.2 两种永磁偏置磁轴承的结构 5

2.3 永磁偏置与电励磁磁悬浮轴承的比较 7

2.4 本章小结 7

第三章 磁悬浮轴承参数设计 8

3.1 永磁偏置五自由度磁轴承的提出 8

3.2 永磁偏置五自由度磁轴承工作原理 9

3.3 五自由度永磁偏置磁悬浮轴承磁路分析 12

3.3.1 各支路的磁通 12

3.3.2 承载能力 15

3.4 磁路参数设计 15

3.4.1 气隙处磁感应强度的设计 15

3.4.2 磁极面积及气隙长度的选取 15

3.4.3永磁材料参数的确定 16

3.4.4 径向磁轴承的电流刚度和位移刚度 17

3.4.5 轴向磁轴承的电流刚度和位移刚度 18

3.5 本章小结 20

第四章 磁悬浮轴承的有限元仿真 21

4.1 磁场有限元方法 21

4.2 磁场的矢量磁位及微分方程 21

4.3 矢量磁势的边界条件 22

4.4 电磁场有限元法的求解 23

4.5 五自由度永磁偏置磁轴承有限元分析实现 23

4.5.1 有限元分析软件ANSYS 2019的界面 24

4.5.2 ANSYS分析步骤 24

4.5.3后处理 26

4.5.4 只有永磁偏置磁场时的气隙磁密 27

4.5.5 只有径向控制磁场时的气隙磁密 28

4.5.6 只有径向控制磁场时的气隙磁密 28

4.5.8 只有轴向控制磁场时的气隙磁密 29

4.6 磁轴承的电流刚度和位移刚度 29

4.5.7 转子出现径向偏移时的磁场 29

4.6.1 位移刚度和电流刚度基本原理 30

4.6.2 电磁极产生的电磁力 31

4.6.3 磁轴承的位移刚度系数和电流刚度系数 31

4.6.4 转子轴向电流位移刚度 32

4.6.5 转子径向电流位移刚度 33

4.7 本章小结 35

第五章 全文总结与展望 36

5.1 主要贡献和创新 36

5.2 不足与展望 36

参考文献 37

致敬 40

第一章 绪论

1.1 永磁偏置轴承概述

1.1.1 透平机械用磁悬浮轴承的研究现状

磁悬浮轴承是一种不需要也不存在机械接触的轴承，其利用永磁体和电磁铁来使转子悬浮，所以磁悬浮轴承具有无摩擦、转速高、噪音小等特点。转子的转速只受转子材料强度的限制，理论上，转子材料强度越大，其转速就能越快。这些优点使得磁悬浮轴承与传统的轴承相比，具有了更多的应用空间

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