软磁复合材料电磁推力轴承结构设计及动态特性研究
发布时间：2021-09-01 08:29
为了研究电磁推力轴承的动态特性,本文基于双目标优化和电磁场理论,采用有限元方法建立了电磁推力轴承的电磁场及强度模型。结合具体的电磁环境,进行电磁场分析并构建了合理的磁回路,根据轴承在实际工况时的动态响应,将轴承的动态性能和强度标准作为评判轴承设计合理性的主要指标。主要研究内容如下:（1）在分析电磁推力轴承基础结构的基础上,建立了以减轻轴承质量和降低涡流损耗的双目标优化模型,对建立的目标函数进行优化,得到最优结构参数。引入了创新的“磁环”结构设计,用以均衡推力盘与定子接触处的磁场和磁性能,更加合理的平衡接触处的磁场变量。（2）分析了优化结构的电磁场特性,得到不同频率下的磁力线、能量损耗、气隙磁通密度以及推力盘表面磁场强度。结果表明随着频率增加电磁轴承的能量损耗近似呈抛物线增加,磁力线在线圈附近分布最密集,同时在线圈周围气隙磁通密度以及推力盘磁场强度均达到最大值。将电磁推力轴承系统的磁路进行了等效电路仿真,通过等效简化单元分析轴承的磁回路特性。运用所得结论,结合系统的材质进行磁路改善。（3）考虑软磁材料磁环不均匀磁化和磁体边缘效应对承载能力的影响,建立了不均匀磁化电磁轴承承载力模型,分析所...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁推力轴承实物图
阻率、低矫顽力、低损耗、低磁各向异性系数、设计和加工灵活性等特点，因此要求软磁性片状材料的厚度薄而电阻率高，并尽量减少磁导率随频率提高而迅速下降的效应。传统软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫合金等磁性能虽然优异，但电阻率偏低，导致在交变磁场作用下涡流损耗很大；而软磁铁氧体材料磁性能尚可，但机械强度很低，已远远不能适应新发展的要求。将软磁材料制成颗粒，再将绝缘层包覆在外面，这种称为软磁复合材料。如图1.2所示[30-31]，经压制、热处理而成。其电磁性能可以通过控制磁性粉末及绝缘材料成分比来实现[32]。图1.2SMCs绝缘颗粒示意图由以上分析可知，影响SMCs性能的因素主要包括原材料的性质和生产工艺条件两个方面。原材料性质是决定SMCs性能好坏的前提，包括磁性粒子成分、尺寸、非磁性包覆材料、磁性粒子与非磁性组分的成分比。在制备过程中，具体工艺条件也显著影响整个材料的性质，比如压力方式及大校成型方法、热处理条件等都会不同程度地影响材料的微观结构，进一步影响SMCs的电磁性能及机械性能。从20世纪初期开始就有学者对磁性复合材料配方展开研究，先后研制了MnZn系铁氧体复合材料、NiZi系铁氧体复合材料，主要应用于低频，对其研究主要着眼于如何提高磁导率而对损耗要求不高，因而对磁粉的包覆并不重视。但是近年随着高频技术的发展，电子元件逐渐向微型化和高频化发展，降低高频损耗就成了待解决的问题。目前，软磁复合材料由于具有三维各向同性，低涡流损耗，在中、高频范围内相对低的总损耗，良好的频率特性及易于机械加工等特殊的优异性能而备受关注。国外著名企业已先后投入相关研究，并推出了一系列牌号的产品，如瑞典的Hoganas公司推出Somolay系列[33]，该产品机械强度相对较低，仅限用于在高频作用下具有复杂形?
西安科技大学全日制工程硕士学位论文8图2.1电磁推力轴承结构简图2.2电磁推力轴承模型总体分析与目标函数本节中选择了两种轴承材料为探究对象：普通碳钢和新型软磁复合材料。电磁轴承处于工作状态时，必然会存在能量的损耗，在降低损耗方面人们的核心关注点在于如何使其结构更具备合理性。那么在构建模型时，需要将最轻质量和最低能耗作为实际的目标函数，以此为基础构建双目标优化模型。本文的约束条件是基于电磁学理论和实际情况来构建起来的，根据结构设计中的确定参数针对求解进行了优化，进而获取到了理想的几何参数。图2.2为电磁推力轴承优化分析示意图，电磁推力轴承主要组成结构为定子、转子、气隙、线圈和推力盘。图中d、D1、D2、D3、D4分别代表转子的直径、定子的内磁极内径、内磁极外径、外磁极内径以及外磁极外径；e1、e2、e3则分别为外磁极宽度、内磁极宽度和磁轭厚度；a、b分别为线圈腔的高度和宽度。推力盘厚度为d0，气隙的宽度为c0。图2.2电磁推力轴承优化分析示意图
本文编号：3376640
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电磁推力轴承实物图
阻率、低矫顽力、低损耗、低磁各向异性系数、设计和加工灵活性等特点，因此要求软磁性片状材料的厚度薄而电阻率高，并尽量减少磁导率随频率提高而迅速下降的效应。传统软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫合金等磁性能虽然优异，但电阻率偏低，导致在交变磁场作用下涡流损耗很大；而软磁铁氧体材料磁性能尚可，但机械强度很低，已远远不能适应新发展的要求。将软磁材料制成颗粒，再将绝缘层包覆在外面，这种称为软磁复合材料。如图1.2所示[30-31]，经压制、热处理而成。其电磁性能可以通过控制磁性粉末及绝缘材料成分比来实现[32]。图1.2SMCs绝缘颗粒示意图由以上分析可知，影响SMCs性能的因素主要包括原材料的性质和生产工艺条件两个方面。原材料性质是决定SMCs性能好坏的前提，包括磁性粒子成分、尺寸、非磁性包覆材料、磁性粒子与非磁性组分的成分比。在制备过程中，具体工艺条件也显著影响整个材料的性质，比如压力方式及大校成型方法、热处理条件等都会不同程度地影响材料的微观结构，进一步影响SMCs的电磁性能及机械性能。从20世纪初期开始就有学者对磁性复合材料配方展开研究，先后研制了MnZn系铁氧体复合材料、NiZi系铁氧体复合材料，主要应用于低频，对其研究主要着眼于如何提高磁导率而对损耗要求不高，因而对磁粉的包覆并不重视。但是近年随着高频技术的发展，电子元件逐渐向微型化和高频化发展，降低高频损耗就成了待解决的问题。目前，软磁复合材料由于具有三维各向同性，低涡流损耗，在中、高频范围内相对低的总损耗，良好的频率特性及易于机械加工等特殊的优异性能而备受关注。国外著名企业已先后投入相关研究，并推出了一系列牌号的产品，如瑞典的Hoganas公司推出Somolay系列[33]，该产品机械强度相对较低，仅限用于在高频作用下具有复杂形?
西安科技大学全日制工程硕士学位论文8图2.1电磁推力轴承结构简图2.2电磁推力轴承模型总体分析与目标函数本节中选择了两种轴承材料为探究对象：普通碳钢和新型软磁复合材料。电磁轴承处于工作状态时，必然会存在能量的损耗，在降低损耗方面人们的核心关注点在于如何使其结构更具备合理性。那么在构建模型时，需要将最轻质量和最低能耗作为实际的目标函数，以此为基础构建双目标优化模型。本文的约束条件是基于电磁学理论和实际情况来构建起来的，根据结构设计中的确定参数针对求解进行了优化，进而获取到了理想的几何参数。图2.2为电磁推力轴承优化分析示意图，电磁推力轴承主要组成结构为定子、转子、气隙、线圈和推力盘。图中d、D1、D2、D3、D4分别代表转子的直径、定子的内磁极内径、内磁极外径、外磁极内径以及外磁极外径；e1、e2、e3则分别为外磁极宽度、内磁极宽度和磁轭厚度；a、b分别为线圈腔的高度和宽度。推力盘厚度为d0，气隙的宽度为c0。图2.2电磁推力轴承优化分析示意图
本文编号：3376640
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