永磁轴承和导轨磁力解析模型的研究

永磁轴承和导轨是利用永磁材料产生的磁场力将转轴或平移物体悬浮起来的磁力机械,分别应用于旋转和往复机器中。由于永磁轴承和导轨具有结构简单、工作可靠、成本低、无摩擦、无能耗、无污染、寿命长,适用于高速、高精度机械以及真空和一些特殊场合等优点,它们在许多领域具有广阔的应用前景,因此,对其磁场及磁力的系统研究就显得越来越重要。 目前,永磁悬浮支承的理论分析和设计还远不成熟。主要原因是已有研究多为针对双环永磁轴承的研究,缺乏对永磁轴承新结构的研究;已有研究多为计算复杂的数值计算模型,缺乏对永磁轴承磁力显式解析模型的研究,无法真正指导永磁轴承和导轨的结构设计和优化。因此,建立永磁轴承和导轨的磁力显式解析模型对于指导永磁轴承和导轨的结构设计和优化具有重要的理论意义和应用价值。 解析模型是借助数学和物理概念来研究磁场及磁力的,并用完整的数学式表达。本文在前人研究成果的基础上,结合稀土永磁材料特性及永磁轴承和导轨的结构特点,采用线性叠加原理、保角变换法、等效磁荷法、磁路法、虚功原理法、镜像法、直接积分法及这些方法的不同组合,对永磁轴承和导轨的显式磁力解析模型进行了研究,并通过了ANYSIS10.0计算验证和实际测试验证,为指导永磁轴承和导轨的结构设计和优化提供理论依据。主要工作如下: (1)采用保角变换法、等效磁荷法、磁路法、虚功原理法建立了径向磁化双环嵌套永磁轴承磁力显式解析模型,并通过了实际测试验证。 (2)基于分析一对永磁环间隙磁能及磁导,结合稀土永磁材料特性和磁通连续原理,通过虚功原理法,得出了轴向放置的双环永磁轴承轴向和径向磁力显式解析模型,试验验证了模型的正确性。 (3)设计了能充分利用磁能、具有较大承载力的径向磁化多环嵌套永磁轴承新结构;基于径向磁化双环嵌套永磁轴承磁力解析模型及径向磁化多环嵌套永磁轴承的结构特点和线性叠加原理,建立了该型永磁轴承磁力解析模型,ANYSIS10.0计算结果验证了模型的正确性。 (4)设计了具有较大承载力的轴向放置多环永磁轴承新结构,基于分析磁环气隙磁导和稀土永磁材料特性,采用虚功原理法得到了轴向放置的多环永磁轴承轴向和径向磁力显式解析模型。试验表明:模型计算结果和实际测试结果基本吻合。 (5)基于永磁体之间的磁共能及虚功原理,结合两块平行矩形截面永磁体的结构特点,建立了两块平行矩形截面永磁体的磁力解析模型,模型适用于永磁悬浮导轨及轴承的设计计算。试验表明:该模型具有较高的计算精度。 (6)根据电流镜像法及永磁体等效电流模型,把铁磁体被磁化的效果视为铁磁体内某处存在“虚设”永磁体产生的磁场,得到了永磁体在介质分界面为平面的铁磁体中的镜像规律及精度较高且较简单的磁场镜像计算法,并对与平面铁磁体粘合的一对永磁环及永磁-铁磁导轨磁力计算值作了试验验证。 (7)基于两块平行矩形截面永磁体的磁力解析模型和永磁体在铁磁体中的镜像规律,结合永磁导轨结构特点,得到了永磁导轨悬浮和导向磁力解析模型,实际测试验证了模型的可行性。 研究结果表明:永磁轴承和导轨的磁力大小与磁体剩磁感应强度的平方成正比;磁力随磁体横向和纵向尺寸、磁体数量以及磁路总磁导的增大而增大,随磁体间隙的增大而减小;在正常工作范围内,承载磁力随磁体相对偏移的增大而增大。