叠片式轴向冗余磁悬浮轴承的设计及其性能研究

发布时间：2020-06-05 05:49

【摘要】：随着磁悬浮轴承技术研究的不断深入,应用领域的不断拓展,高可靠性的磁悬浮轴承系统已经越来越受到重视。冗余设计是提高系统可靠性的一种有效手段。另一方面,对于主动磁悬浮轴承来说,工作过程中的温升也会显著影响到主动磁悬浮轴承的可靠性。本文基于磁悬浮轴承高可靠性的要求,提出了叠片式轴向冗余磁悬浮轴承结构(可简称叠片式磁悬浮轴承)。叠片式磁悬浮轴承具有冗余特性并且减少了涡流损耗和温升,相对于整体式磁悬浮轴承具有明显的优势。首先进行理论研究,理论研究分三步进行。为保证研究的严谨性,论文将提出的叠片式磁悬浮轴承的各项性能与性能优化后的整体式单环轴向磁悬浮轴承进行对比。第一步,利用Matlab软件对整体式单环轴向磁悬浮轴承进行了结构优化,使其在体积一定的条件下承载力最大。第二步,提出了四种叠片式磁悬浮轴承结构,并确定了本文所研究的四种叠片式磁悬浮轴承结构的结构参数。第三步,利用Matlab、Ansys workbench等工具对提出的叠片式磁悬浮轴承进行了仿真研究。并且将四种叠片式磁悬浮轴承从冗余特性、力学特性、温度特性三方面和整体式单环磁悬浮轴承进行了对比。接着,进行叠片式磁悬浮轴承相关实验验证。实验验证同样分三步进行,分别验证提出的叠片式磁悬浮轴承的力学特性、冗余特性、温度特性三方面。选八块叠片式磁悬浮轴承进行验证性实验。第一步,通过八块叠片式轴向磁悬浮轴承能够稳定悬浮的实验,验证了其仿真承载力计算的正确性。第二步,通过八块叠片式磁悬浮轴承在稳定悬浮状态下,任意一组线圈失效后通过反馈系统自动调节仍然能够正常工作的实验,验证了八块叠片式磁悬浮轴承具有冗余特性。第三步,利用红外热像仪测试了八块叠片式磁悬浮轴承在正常工作状态下的温度场,将实验结果与仿真计算结果比较,验证了温度场仿真计算的可行性及准确性。最后,通过理论仿真及实验结果可以知道,定子部分采用导磁材料嵌套硅钢叠片结构的叠片式磁悬浮轴承相对于整体式磁悬浮轴承在保证承载力不下降的情况下具有冗余特性,并且能在一定程度上降低温升。定子部分采用非导磁材料嵌套硅钢叠片结构的叠片式磁悬浮轴承相对于整体式磁悬浮轴承虽然承载力有所下降,但是仍具有冗余特性,并且能在很大程度上降低温升。
【图文】：

示意图,航空发动机,磁悬浮轴承

1.1 磁悬浮技术的典型应用磁悬浮轴承（Magnetic Bearing，简称 MB）是 50 年代诞生于美国的一种新型高性能轴承。磁悬浮轴承是依靠电磁力作用，使磁悬浮轴承转子与磁悬浮轴承定子之间在正常工作时有一定的间隙，从而可以实现转子与定子之间在正常工作时无摩擦，因而磁悬浮轴承转子可以达到很高的运转速度[1-2]。以下列举几个磁悬浮技术在各个方面的典型应用。（1）交通运输方面的应用磁悬浮轴承在航空发动机上的应用不仅消除了对发动机外部齿轮和润滑系统的需求，也消除了对轴承密封和密封增压系统的需求，从而有效地促进了航天器的轻量化，图 1-1 是航空发动机示意图。随着现代人们生活节奏的加快，人们对交通出行的要求也越来越高。磁悬浮列车相对于普通列车而言，具有很明显的优点：很高的运行速度、噪声低、无污染、价格优惠，乘坐舒适等，图1-2 是 2003 年 1 月我国投入正式运营的上海磁悬浮列车。

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具有很明显的优点：很高的运行速度、噪声低、无污染、价格优惠，乘坐舒适等，图1-2 是 2003 年 1 月我国投入正式运营的上海磁悬浮列车。图 1-1 航空发动机图 1-2 上海磁悬浮列车（2）透平机械磁悬浮轴承应用于天然气压缩机和涡轮膨胀机的主要优点包括：增加了设备的可用性、显著地降低了维护成本、减少了设备空间尺寸并降低了能耗、快速起动（因为无需预热润滑油）、更安全（因为无润滑油着火的危险）、遥控监测和远程诊断。图 1-3 是法国 S2M 公司生产的离心压缩机。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133.3

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