高速轴向磁轴承的结构优化分析

发布时间：2020-07-15 10:03

【摘要】：现代工业的发展对旋转机械的性能提出了更高的要求。为了追求更高的效率和更大的功率密度,众多工业领域对转子的转速要求越来越高,甚至要求其在超临界转速工作,此时普通机械轴承通常难以满足转速要求。主动磁悬浮轴承采用可控承载力来支承转子,消除了定转子之间的机械接触和机械摩擦。它具有许多优点,如高转速、低摩擦功耗、无需润滑以及可控的刚度和阻尼等,被广泛应用于高速离心风机、压缩机、机床主轴、人工心脏、能源动力旋转机械、化工旋转机械、食品加工机械和航空航天设备等。目前,磁悬浮轴承已经成为学术界和工业界的研究热点,是高端旋转机械设备的理想支承轴承之一。磁悬浮轴承技术涉及众多学科,如力学、机械学、转子动力学、电磁学、电力电子学、控制工程和计算机科学等。因此,提高磁悬浮轴承性能是一项综合工程。而磁悬浮轴承结构的合理设计与优化是提高其性能的重要基础技术。对于高速重载旋转机械来说,其具有转速高、载荷大、体积小的特点。若采用目前常用的E型轴向电磁轴承,会导致其推力盘转子直径大、应力大、易损坏,给轴向磁轴承的结构设计带来了一定的挑战。因此,本论文主要研究了高速重载情况下轴向磁轴承的结构形式改进和结构优化设计方法。本文基于传统E型轴向电磁轴承的结构,对其进行了改进,并针对改进型轴向电磁轴承结构,建立了考虑边缘效应的等效磁路模型,给出了轴承承载力计算公式,以及结构设计过程及结构参数之间的制约关系。为了进一步降低推力盘转子直径和轴承功耗,在轴向磁轴承中引入永磁环来提供永磁偏置力,采用电磁力来提供动态恢复力,设计了一种轴向混合磁轴承。考虑边缘效应,分别建立了该轴向混合磁轴承的永磁磁路等效模型和电磁磁路等效模型,推导了轴承承载力计算公式。在磁能积最大原则下,设计了偏置永磁环的结构参数,给出了结构设计方法和结构参数之间的关系。为了优化结构参数,采用遗传算法,并根据轴承承载力与结构参数之间的关系,以轴承尺寸最小和承载力最大为目标函数,分别对轴向电磁轴承及轴向混合磁轴承进行了结构参数优化设计。在理论承载力均为3000N的要求下,与传统E型轴向电磁轴承的推力盘半径73.3mm相比,优化后的改进型轴向电磁轴承的推力盘半径为60mm,减少了 18.1%,优化后的轴向混合磁轴承的推力盘半径为55.4mm,减少了24.4%,大幅降低推力盘直径。基于等效磁路法,计算的轴向电磁轴承的承载力为2953.5N,与指标之间的偏差为-1.55%;计算的轴向混合磁轴承的承载力为3089N,与指标之间的偏差为2.97%,均满足承载力设计要求。轴向电磁轴承及轴向混合磁轴承的优化设计完成后,利用有限元仿真软件分别对两种结构进行仿真分析。轴向电磁轴承承载力仿真值为3007N,轴向混合磁轴承承载力仿真值为2992N,与等效磁路法计算的承载力之间的偏差不超过4%。并且等效磁路法和有限元仿真给出的轴向电磁轴承各部分磁通之间的偏差大多在5%以下,而轴向混合磁轴承的偏差稍大,在10%以下,但主磁极磁通的误差也在5%以下,说明本文建立的考虑边缘效应的等效磁路模型准确度较高。对优化后的磁轴承在推力盘处于不同位移时的承载力及磁通密度进行仿真分析,进一步研究承载力及磁通密度与推力盘位移之间的关系。研究表明,本文改进设计的轴向磁轴承能够在满足高承载力的同时,大幅降低推力盘直径,比较适合用来支承高速重载转子。本文为后续高速、重载磁悬浮旋转设备的发展奠定了基础,具有一定的理论意义和工程价值。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.3
【图文】：

结构图,磁悬浮轴承,结构图,永磁轴承

＿ｙ方向控制线圈逡逑（ａ）径向和轴向电磁轴承结构图逡逑Ｚ〈／／〈’／／〈邋／逦／／／／／／／／邋邋／／／／／／／／逡逑逦Ｎ逦逦Ｎ邋Ｓ邋ｓ邋Ｎ邋Ｎ邋Ｓ逡逑Ｎ逦逦邋逦邋逦逡逑／＾－逦逦Ｓ逦邋念邋＾逦＾逡逑￣￣：ｓ—逦￣｜＿邋逦＾＾逡逑Ｎ逦逡逑逦逦逦邋Ｎ邋Ｓ邋Ｓ邋Ｎ邋Ｎ邋Ｓ逡逑＇ｍ逡逑（ｂ）径向和轴向永磁轴承结构图逡逑

轴向混合,磁极,定子,径向

图３－丨轴向混合磁轴承常用结构形式逡逑图３－ｌ（ｄ）所示的结构四，由定子轴向磁极、定子径向磁极、控制线圈、径向逡逑１８逡逑

轴向混合,磁轴承,改进型,结构示意图

控制磁通的磁路，可以降低励磁功耗，但其具有轴向定子与径向定子间的漏磁大逡逑的缺点［５３］。逡逑如图３－ｌ（ｅ）所示的结构五，由定子磁极、控制绕组、永磁环以及一个推力盘逡逑等构成。控制绕组产生的控制磁通流过推力盘两侧的主气隙。两个径向充磁永磁逡逑环分别置于推力盘两侧的定子磁极中，产生偏置磁通。但这种结构形式会导致控逡逑制绕组中的电流波动较大，增加励磁功耗［５４］。逡逑如图３－１（0所示的结构六，由定子磁极、控制绕组、永磁环和推力盘等构成。逡逑两个径向充磁的永磁环产生偏置磁通。两个绕组线圈串联联接，产生方向一致的逡逑控制磁通１５５］。逡逑结构四、五、六这三种结构形式除了产生轴向力外，还有径向干扰力，增加逡逑了径向控制的复杂性。逡逑综合以上结构形式，本文采用了如图３－２所示的轴向混合磁轴承结构，由两逡逑个径向充磁的永磁环、推力盘、控制绕组和定子磁极构成。逡逑Ｉ邋ｉ逡逑”６邋丨逡逑0＇ｈ２逦线，ｚ益逡逑罚逦永逡逑

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