混合型磁悬浮轴承基础研究

混合型磁悬浮轴承采用永磁材料建立偏置磁场,能够有效降低功率损耗,在航空航天、能量存储、能量转换等对功率损耗要求较高的领域有着不可替代的优势,是磁悬浮轴承技术发展的一个重要方向。本文立足于混合型磁悬浮轴承的基本特点,对混合型磁悬浮轴承的分类体系、拓扑结构、参数设计与优化、磁场分析以及系统设计等方面进行了研究。 在对混合型磁悬浮轴承的基本特点进行分析的基础上,首先对混合型磁悬浮轴承的类型划分进行了研究。首次提出了以控制磁场在气隙中的分布情况来作为混合型磁悬浮轴承类型划分的依据。结合功能与偏置磁场极性分布上的不同,建立了新的混合型磁悬浮轴承分类体系。以混合型磁悬浮轴承的分类体系为基础,对混合型磁悬浮轴承的拓扑结构进行了研究。提出了根据混合型磁悬浮轴承的类型来确定其基本拓扑结构的方法。利用此方法对各类型混合型磁悬浮轴承具体拓扑结构的设计进行了研究,对已有的拓扑结构进行了整理归类,并提出了多种新的拓扑结构。同时对各种类型拓扑结构的优缺点进行了定性的分析与比较。 以等效磁路法为基础,对混合型磁悬浮轴承参数的设计进行了研究。提出了以总磁通量计算为基础的参数设计方法,提高了参数设计的优化程度。采用有限元法并通过循环迭代的方式获得磁场的磁阻系数与漏磁系数,提高了参数设计的精确度。 基于上述一般性的参数设计方法,对三种混合型磁悬浮轴承(轴向、径向、轴向-径向)具体的参数设计与优化方法进行了研究,在对其拓扑结构与磁场分布进行分析的基础上,以最大悬浮力为设计目标,以软磁材料内部磁场不饱和为约束条件,以体积最小为优化目标,推导出了其软磁材料、永磁材料及控制绕组的参数设计与优化公式,并以MATLAB为基础开发出了界面友好,操作简单的混合型磁悬浮轴承参数设计与优化软件。利用有限元分析软件对设计出的混合型磁悬浮轴承的磁场进行了仿真与分析。通过对仿真结果的分析进一步完善了参数设计公式,最终获得了能够达到设计目标的混合型磁悬浮轴承参数。 对混合型磁悬浮轴承系统进行了研究,建立了由混合型轴向-径向磁悬浮轴承、混合型径向磁悬浮轴承以及高速电机组成的五自由度磁悬浮轴承电机系统实验平台,组成该系统的两种混合型磁悬浮轴承具有相似的结构,且大部分零件具有互换性。设计了数字控制系统与开关功率放大器,实现了转轴在0～20000r/min的稳定悬浮,测试所得实验数据验证了参数设计方法具有较高的精确性。