径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承建模与特性分析

介绍了一种新的径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承结构及工作机理,采用等效磁路法对该轴承的磁路进行了计算,得到了悬浮力数学模型。根据最大悬浮力要求设计了试验样机参数,并利用Matlab软件对磁轴承轴向、径向悬浮力的非线性和各自由度之间在平衡位置附近的运动以及径向-轴向之间的磁路耦合特性进行了计算分析。理论和仿真结果表明:该磁轴承机械和磁路结构合理,悬浮力在平衡位置附近具有较好的线性和对称性,各自由度在平衡位置附近运动和磁路几乎没有耦合,对各自由度可采用分散的PID控制器进行控制,大大简化了控制系统。     

交直流径向-轴向混合磁轴承原理与特性分析

介绍了一种新颖的交直流径向一轴向混合磁轴承的基本结构和悬浮力产生机理;用等效磁路法对该磁轴承的磁路进行了推算,导出了其轴向、径向悬浮力数学模型,设计了实验样机参数.利用Matlab软件对磁轴承轴向、径向悬浮力非线性和各自由度之间在平衡位置附近运动、磁路之间的相关耦合特性进行了计算分析,给出了仿真图.研究结果表明:这种磁轴承结构合理紧凑,效率高;磁轴承轴向、径向悬浮力具有较好的线性和对称性,有利于控制器及功放电路的简化与设计,并获得良好的控制性能;各自由度运动和磁路几乎没有耦合,采用分散独立的PID控制器实现了磁轴承的稳定工作.     

一种锥形定转子交直流磁轴承建模与耦合特性研究

为简化三自由度轴向-径向磁轴承结构,减小轴向长度和提高系统临界转速,设计了一种新型三自由度交直流轴向-径向混合磁轴承。该磁轴承定子采用两片式六极结构,分隔式锥形磁极与圆锥形转子均有30°锥角,磁场对圆锥形转子产生的磁吸力在轴向和径向方向上均有分量,实现了利用同一工作气隙同时控制圆锥形转子在轴向和径向3个自由度的悬浮。论文介绍了三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承基本结构及悬浮力产生的工作原理,用等效磁路法对永磁和励磁混合磁轴承的磁路进行了分析,推导出了悬浮力数学模型。利用Matlab工具对磁轴承各变量之间的非线性关系和各自由度之间运动、磁路之间的耦合特性进行了计算和分析,并对各自由度之间的电磁耦合特性及各变量之间的非线性关系用ANSOFT软件进行了有限元分析验证。理论分析和仿真结果表明:该磁轴承各自由度在平衡位置附近时运动和磁路之间没有耦合,各变量之间具有良好的线性关系,对各自由度可采用分散独立的PID控制实现磁轴承的稳定悬浮。     

基于精确磁路的永磁偏置轴向径向磁轴承设计

针对永磁偏置轴向径向磁轴承集成度高、结构紧凑、磁场分布不规则、偏置磁场和控制磁场存在耦合的特点,根据二维仿真结果,在精细划分磁轴承漏磁路径和软磁路径的基础上,构建了包括漏磁磁阻和软磁磁阻的精确磁路。利用精确磁路可观测各磁路中的磁通分布的优势,有针对性地调整磁轴承的各结构参数,实现其设计的优化,减少对初步参数的重复有限元仿真。对设计样机进行的三维有限元仿真结果表明:基于精确磁路的永磁偏置轴向径向磁轴承设计正确合理。     

支承高速电机的混合磁轴承结构参数设计与分析

提出了一种5自由度混合磁轴承支承高速电机系统,由径向2自由度混合磁轴承、径向-轴向3自由度混合磁轴承和高速电机构成.2自由度磁轴承定子采用8极结构,4个是控制磁极,4个是嵌入永磁体的永磁磁极.3自由度混合磁轴承集成了径向和轴向轴承功能,采用径向充磁的环形永磁体提供径向和轴向磁轴承偏置磁场.文中介绍了混合磁轴承的结构和工作原理,导出了磁轴承的数学模型,给出了详细的参数设计方法,最后采用MAXWELL电磁场有限元分析软件对磁轴承的磁路和主轴受力情况进行了分析.理论研究和有限元分析表明:这种5自由度磁轴承系统结构参数设计合理.     

磁悬浮飞轮轴向混合磁轴承参数设计及分析

磁悬浮飞轮系统是空间飞行器实现高精度姿态控制常用的执行机构,磁轴承作为磁悬浮飞轮中的重要组成部分,要求其具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低、效率高等优点。提出了一种新型轴向混合磁轴承,该磁轴承采用永磁体提供静态偏置磁场,功耗低、体积小,尤其适合在磁悬浮飞轮系统中应用。在阐述磁轴承结构和工作原理基础上,采用等效磁路法推导出磁轴承悬浮力数学模型,得出了磁轴承最大承载力数学表达式;给出了详细的参数设计方法,设计了轴向承载力400 N的磁悬浮飞轮轴向磁轴承;采用有限元方法对其磁路及最大承载力进行了仿真计算和分析,并进行了试验研究。理论和试验结果证明了数学模型的正确性和参数设计合理性。     

一种新型磁悬浮飞轮用永磁偏置径向磁轴承

针对现有径向磁轴承结构电励磁磁路耦合严重的缺点,分析了一种新型磁悬浮飞轮用永磁偏置径向磁轴承结构及其工作原理。采用等效磁路法对磁轴承的永磁磁路和电励磁磁路进行计算,得出了磁轴承的数学模型,给出了磁轴承主要参数的设计方法。最后通过有限元法对该磁轴承进行仿真分析,从磁场分布以及X方向通电流时对力Fy的影响两方面验证该结构电励磁回路在X、Y方向间的解耦性,其中Fy小于3%Fx。理论研究和仿真分析表明：这种径向磁轴承结构有效的避免了磁通在两个径向自由度间的耦合,从而能够扩大系统线性工作范围和稳定裕度最终提高磁轴承系统的控制性能。     

异极永磁偏置径向混合磁轴承及其性能分析

介绍了异极永磁偏置径向混合磁轴承的结构和工作原理,利用等效磁路法建立悬浮力计算模型,理论分析说明异极磁轴承比三极磁轴承最大承载能力提高了33.3％,通过有限元分析得出异极磁轴承能得到比三极磁轴承更好的悬浮力与电流线性关系.搭建试验台对理论分析和仿真结果进行验证,异极磁轴承悬浮力与电流线性关系更好,最大承载力提高了29....     

径向二自由度混合磁轴承参数设计与分析

介绍了永磁偏磁径向磁轴承的结构及其悬浮力产生机理；用等效磁路法对混合磁轴承的磁路进行计算，得出了最大承载力的条件和数学表达式，给出了参数设计和计算过程；用有限元软件进行了仿真验算。研究结果表明：增大永磁体内部磁动势可提高轴承的承载力、稳定性及减小功放损耗；当偏磁磁通大于饱和磁通的一半时，实际承载力最大。     

五自由度混合磁轴承结构参数设计与分析

提出一种新型的五自由度混合磁轴承支承高速电机系统,由径向二自由度混合磁轴承、径向-轴向三自由度混合磁轴承和高速电机构成.文中介绍混合磁轴承的结构和工作原理,二自由度混合磁轴承采用轴向充磁的环形永磁体提供偏置磁场,定子采用双片式八极结构,每片定子有四个凸极.三自由混合磁轴承集成径向和轴向磁轴承功能,采用径向充磁的环形永磁体提供径向和轴向偏置磁场.导出磁轴承的数学模型,给出详细的参数设计方法,最后采用Maxwell电磁场有限元分析软件对磁轴承的磁路和主轴受力情况进行分析.理论研究和有限元分析表明,这种五自由度混合磁轴承系统结构参数设计合理.     

PRINCIPLES AND PARAMETER DESIGN FOR AC-DC THREE-DEGREE FREEDOM HYBRID MAGNETIC BEARINGS

To simplify the mechanical structure, decrease the overall system size of the 3-degree freedom axial-radial magnetic bearings and reduce the manufacturing costs as well as operating costs, an innovated AC-DC 3-degree freedom hybrid magnetic bearing is proposed, which is driven by a DC amplifier in axial direction and a 3-phase power converter in radial directions respectively, and the axial and radial bias magnetic fluxes are provided with a common radial polarized permanent magnet ring. The principle producing magnetic suspension forces is introduced. By using equivalent magnetic circuit method, the calculation formulas of magnetic suspension forces and the mathematics models of the system are deduced. Nonlinearities of suspension forces and cross coupling between different degree freedoms are studied further by calculating the suspension forces at different displacements and control currents to validate the feasibility of the mathematics model. Then based on the mathematics models of the bearing, a control method of this novel bearing is designed. Lastly, the methods on parameter design and calculations of the bearing are presented, and an applicable prototype is simulated to analyze the magnetic path by using finite element analysis. The theory analysis and simulation results have shown that this magnetic bearing incorporates the merits of 3-phase AC drive, permanent magnet flux biased and axial-radial combined control, and reduces overall system size and has higher efficiency and lower cost. This innovated magnetic bearing has a wide application in super-speed and super-precision numerical control machine tools, bearingless motors, high-speed flywheels, satellites, etc.     

径向磁轴承磁路耦合对磁力的影响及其解耦控制策略

由于磁路在磁轴承定子磁极间的耦合,磁力的分布会发生变化,致使理论模型推导的控制电流难以提供准确的回复力。基于Boit-Savart定理建立了磁场分布模型并分析了磁路耦合的影响因素;建立了考虑磁路耦合的磁力等效模型;分析了磁路耦合对磁力误差的影响,并提出了解耦控制策略;进行了电磁场仿真,验证了解耦控制的正确性;通过磁轴承稳态悬浮实验,验证了解耦控制策略的有效性。     

磁悬浮永磁直线电动机及其控制系统研究

根据磁悬浮永磁直线电动机的特殊结构与运行机理,给出了电动机电磁推力和悬浮力的数学模型。建立了磁悬浮永磁直线电动机的有限元计算模型,对气隙磁密、电磁推力和悬浮力进行了有限元计算,并对气隙磁密作了谐波分析。设计了磁悬浮永磁直线电动机的研究样机,制作了磁悬浮子系统和进给伺服子系统,对系统进行实验研究,获得了磁悬浮子系统和进给子系统运行的实验结果。实验研究结果表明,该磁悬浮永磁直线电动机可实现直接驱动与无摩擦运行。     

磁悬浮式隔振技术的特性分析与研究

对稀土永磁材料在隔振系统的磁悬浮应用特性作了研究，给出了永磁系统空间磁密及磁力定量计算的方法，设计了一种新型磁悬浮式隔振装置，在运用试验及应用人工神经网络的方法对其良好悬浮特性和非线性刚度特性进行了综合分析的基础上，引入实验修正系数完善了理论模型，为磁悬浮隔振器的设计提供了理论依据。     

磁悬浮陀螺飞轮用隐式洛伦兹力磁轴承

针对磁悬浮陀螺飞轮用显式洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性差的问题,提出了一种磁钢内置的隐式洛伦兹力磁轴承,并采用三维有限元法对两种方案的气隙磁密进行比较分析。隐式方案的气隙磁密在周向和纵向的变化率分别为0.8%和8.4%,远优于显式方案的15.0%和23.7%。利用磁场分割法对隐式方案的磁阻进行了区域分割,采用积分法精确计算各区域磁阻,建立了磁轴承磁路数学模型,得到了影响偏转电流刚度的关键结构参数,并基于有限元法对隐式方案形状及结构参数进行详细优化。结果表明,在不恶化气隙磁密变化率的前提下,优化前后绕组区域的最大磁密和最小磁密分别从0.404T和0.368T增加至0.464T和0.427T,增幅为14.6%和16.0%。根据优化结果研制了一台隐式洛伦兹力磁轴承,并进行了气隙磁密和偏转电流刚度实验测试,测试结果与设计结果相符,对洛伦兹力磁轴承的设计具有重要意义。     

可变磁路式永磁悬浮系统的动力学特性研究

介绍一种由伺服电机、盘状径向磁化永磁铁和导磁体组成的可变磁路式永磁悬浮系统。该系统中永磁铁提供悬浮力,伺服电机驱动盘状永磁铁旋转,改变通过悬浮物的磁通量,实现悬浮力的实时控制。该悬浮系统可以实现零吸引力,避免接触吸附问题,可以实现稳定状态下的零功率悬浮,达到节能减排的目的;可以任意改变磁极特性,实现在多自由度系统上的灵活应用。在综合考虑系统漏磁特性的条件下建立系统的参数化模型,分析系统的动力学和控制特性,然后进行系统的悬浮特性仿真研究,结果表明该系统在一定外扰下可实现稳定悬浮,并且具有较理想的时域和频域响应特性。     

Permanent Magnetic Bearing for Spacecraft Applications

A passive permanent magnetic bearing rig prototype was designed and constructed. The suspension of the rotor was provided by two sets of radial permanent magnetic bearings operating in the repulsive mode. The axial support was provided by jewel bearings on both ends of the rotor. Preliminary testing led to successful operation of the bearing prototype to speeds of 5500 rpm using an air impeller. Radial and axial stiffnesses of the permanent magnetic bearings were experimentally measured and then compared to finite element results. The natural damping of the rotor was measured and a damping coefficient was calculated.