基于解析模型的多气隙永磁偏置轴向磁轴承电磁优化设计

提出了一种多气隙的永磁偏置轴向磁轴承,分析了包含有永磁体边界的气隙区域的边界磁位函数条件,采用拉普拉斯方程求解了永磁体所产生的漏磁磁场,进而建立了轴向磁轴承的解析分析模型。分析了轴向磁轴承的电磁力需求,对永磁与电励磁比例选择进行了研究,并利用解析模型对轴向磁轴承的主要参数进行了优化设计。建立了轴向磁轴承的三维有限元分析模型,验证了电磁设计工作的正确性。     

基于气隙磁通边缘效应的轴向混合磁轴承承载力解析计算

为了研究单自由度轴向混合磁轴承轴向主动悬浮和径向被动悬浮的特性,对提出了基于气隙磁通边缘效应的磁轴承承载力解析计算方法.首先建立了轴向混合磁轴承基于气隙磁通边缘效应的磁路模型,利用分割磁场法推导各部分磁通管的磁导,根据其串并联关系,得到磁路的总磁导,由虚位移法推导了轴向力和径向力的解析表达,得到了轴向力与径向力随轴向气隙和径向位移的变化关系,并分析了轴向力与径向力的耦合特性,为磁悬浮系统轴向和径向的解耦控制提供了理论依据.利用有限元方法对轴向力和径向力进行仿真计算,仿真结果与模型计算结果基本吻合.     

基于磁路分析的轴向混合磁轴承径向承载力解析计算

研究轴向混合磁轴承实现五自由度悬浮时,需要计算径向承载力与磁轴承结构参数以及永磁体参数之间的关系。为了解决轴向混合磁轴承缺乏径向承载力解析数学模型的问题,该文在分析轴向混合磁轴承磁路以及各部分磁导的基础上,结合稀土永磁体的工作特性,用虚位移法得出了轴向混合磁轴承的径向承载力解析数学模型。模型表明,在小径向位移时,该型的混合磁轴承径向承载力随着径向位移增加而增加,近似线性关系,径向承载力和刚度随轴向气隙增大而减小;磁轴承径向承载力随永磁体的有效长度增加呈现先增大后趋近饱和。利用有限元方法对径向承载力进行仿真计算,仿真结果与模型计算结果基本吻合。     

考虑定子外壳漏磁的同极式永磁偏置径向磁轴承磁路模型

同极式永磁偏置径向磁轴承的永磁偏置磁场在定子外壳内形成较大漏磁,而且外壳的有效面积相对工作气隙较大,即使在铁心与外壳间加入隔磁层的情况下,漏磁仍不可忽略,必须进行准确计算。首先直接求解拉普拉斯方程获得隔磁层内的磁场分布,并结合保角变换计算漏磁区域的端部效应,然后求解工作气隙的永磁偏置磁场和电励磁控制磁场,最后建立完整磁路模型和电磁力解析模型。三维有限元仿真结果表明,所建立的磁路模型能准确计算磁轴承工作范围的电磁参数。依据飞轮储能系统的总体需求,设计了径向磁轴承系统,实验结果验证了所建立解析模型和有限元模型的准确性。     

电磁型磁轴承的动态模型建立与分析

以电磁主动控制型磁轴承为研究对象，在论述磁轴承结构特点的基础上，推导了磁轴承的动力学方程；重点介绍了磁轴承设计中的关键参数轴向电磁力和径向电磁力的计算方法，给出了其电压方程；从机电磁一体化角度，建立了碰轴承的动态模型，并进行了分析。本文中所涉及的问题对其它类型的磁轴承设计有参考价值。     

轴向电磁轴承多自由度承载力理论与实验研究

为了实现磁悬浮轴承系统的微型化,对轴向电磁轴承的多自由度承载力进行理论与实验研究。基于轴向磁轴承气隙磁通空间分布,利用分割磁场法建立磁路模型,由虚位移法得到轴向和径向承载力的数学表达式。借助有限元仿真软件,得到轴向磁轴承气隙磁感应强度与磁场空间分布。在搭建的磁轴承三维力学测量平台上,实验测量了轴向磁轴承的轴向与径向承载力,分析总结了多自由度承载力随电流、轴向位移和径向位移的变化规律,结合理论与仿真结果,分析了结构参数变化导致气隙磁场分布变化,进而改变轴向与径向承载力的物理机理,为轴向磁轴承实现多自由度悬浮研究提供了参考依据。     

六极径向–轴向主动磁轴承电磁特性分析及实验研究

提出一种由三相逆变器驱动的六极径向–轴向主动磁轴承,与三极径向–轴向主动磁轴承相比,该磁轴承具有乘载力大、径向两自由度之间没有磁路耦合等优点。首先详细介绍六极径向–轴向主动磁轴承的基本结构、磁路、工作原理,并推导出其数学模型;然后,对其电磁特性和最大承载力进行有限元仿真分析。与三极径向–轴向主动磁轴承的分析结果相比,六极径向–轴向主动磁轴承的承载力提高了约33%,径向两自由度之间不存在磁路耦合,并解决了力–电流特性的非线性问题。最后,在样机的基础上进行验证实验和静态悬浮实验,验证了六极径向–轴向主动磁轴承的性能。实验结果表明,六极径向–轴向主动磁轴承的性能优于三极径向–轴向主动磁轴承,验证了理论分析的正确性。     

高速电机用混合式径向磁轴承前馈解耦控制

针对四磁极永磁偏置径向磁轴承两自由度间存在电磁力耦合问题,研究了耦合产生的原因,建立了考虑耦合影响的永磁偏置径向磁轴承电磁力数学模型,提出了永磁偏置径向磁轴承的前馈解耦控制策略和前馈补偿器解耦算法。通过对解耦前后电磁力与控制电流对比分析表明,提出的前馈补偿解耦算法是可行的。前馈解耦控制可以有效地减小转子偏离中心位置时,径向磁轴承两个自由度之间的电磁力耦合,提高转子位置控制精度。     

新型径向混合磁轴承的解耦设计与分析

电磁悬浮轴承存在的磁路耦合问题,不仅影响磁轴承的刚度,还增大控制难度。为从机械结构上解决电磁轴承的磁路耦合的问题,该文提出一种新的径向混合磁轴承,设计一种6独立磁路4极(2对极)的径向混合磁轴承结构,通过等效磁路法推导出该结构的电磁力解析式,并采用三维有限元法对其磁场分布、电磁力特性及耦合特性进行仿真分析。计算及仿真结果表明：与传统的8极混合磁轴承相比,所提出的6独立磁路4极(2对极)径向混合磁轴承结构,能很好地实现径向方向上的电磁场解耦,为后续控制方法的实现提供理论参考。     

新型组合永磁偏置磁轴承磁路模型建立及优化设计

径向-轴向组合永磁偏置磁轴承具有结构紧凑、损耗低的优点,本文给出了一种新型结构混合型径向-轴向磁悬浮轴承的原理结构,首先建立了其等效磁路模型,基于等效磁路模型推导了该磁轴承的悬浮力解析表达式及其所特有的补偿线圈的补偿原理和补偿方法。然后采用电磁场的有限元方法验证了该等效磁路模型及有关补偿计算的正确性。最后为了改善磁轴承的性能并更好地满足工程需求要求,基于等效磁路模型,采用多目标粒子种群算法对该轴承进行了优化设计研究,通过优化设计模型与初始模型的对比研究,验证了优化的有效性。     

一种低成本径-轴向集成化主动磁轴承

介绍了一种低成本径-轴向集成化主动磁轴承,该轴承为一种结构紧凑的同极型磁轴承。在相同承载力的条件下与传统磁轴承相比,该磁轴承的设计在样机尺寸、损耗和成本上均有优势。这种结构的磁轴承同时具有径向和轴承的承载能力,而且辅助轴承支架单元结构紧凑。针对提出的低成本径-轴向集成化主动磁轴承,文章对该磁轴承进行了设计、加工及测试,并针对所设计的磁轴承进行不同转子位置的振动测试,最后给出了测试结果。     

一种新型三自由度交直流混合磁轴承原理及有限元分析

研究了一种新颖的永磁偏磁三自由度交直流混合磁轴承.轴向悬浮力控制采用直流驱动,径向悬浮力控制采用三相逆变器提供电流驱动,由一块径向充磁的环形永磁体同时提供轴向、径向偏磁磁通,同时引入一组二片式六极径向轴向双磁极面结构,大幅增大了径向磁极面积,提高磁轴承的径向承载力,并且在保证径向承载力的情况下,减小轴向尺寸.轴承集合了交流驱动、永磁偏置及径向-轴向联合控制等优点.理论分析和有限元仿真证明,磁轴承的结构设计更加合理,对磁悬浮传动系统向大功率、微型化方向发展具有一定意义.     

交流径向-轴向六极混合磁轴承结构及其悬浮力特性分析

为降低三极混合磁轴承径向悬浮力的非线性并进一步降低磁轴承的功耗和成本,提出一种交流径向–轴向六极混合磁轴承。首先介绍交流径向?轴向六极混合磁轴承的结构和工作原理,推导其径向、轴向悬浮力的数学模型;其次,根据数学模型重点分析径向悬浮力线性度及耦合特性,利用有限元分析软件分别对其径向、轴向悬浮力进行仿真分析验证,并与三极混合磁轴承作相关参数对比。最后构建实验平台进行悬浮和扰动测试。研究结果表明:交流径向?轴向六极混合磁轴承径向悬浮力模型可等效为线性模型;轴向位移产生的磁阻力能将转子稳定悬浮于轴向平衡位置。     

一种新型飞轮储能用三定子三自由度磁轴承

针对现有飞轮储能用三自由度磁轴承径-轴向磁路耦合严重、承载力不足的特点,研究了一种无耦合、承载力大的三定子三自由度磁轴承。介绍该磁轴承的拓扑结构和工作原理,采用等效磁路分析方法对磁轴承的径向磁路和轴向磁路进行计算,得出了磁轴承的数学模型,并给出磁轴承主要参数的设计方法及参数结果。利用仿真软件ANSYS对轴承的所处磁场和转子承载力情况进行计算和分析,并利用MATLAB/Simulink进行静态性能仿真。磁场分析结果表明,该三定子三自由度磁轴承能够避免径向-轴向间的磁路耦合,从而能够扩大系统线性工作范围和稳定裕度,提高磁轴承系统的控制性能。受力分析结果表明,相比于同外径尺寸的其它磁轴承,该磁轴承具有承载力大的优点。仿真结果与设计值一致,仿真结果验证了该新型磁轴承的结构的合理性及参数设计结果的正确性。     

短转子永磁偏置轴向径向磁轴承耦合特性分析

永磁偏置轴向径向磁轴承能够实现转子的三自由度悬浮,结构紧凑、功耗低,但3个自由度之间易耦合。对一种短转子永磁偏置轴向径向磁轴承进行了研究,它的轴向定子位于径向定子之上,为短转子结构。根据二维仿真结果进行等效磁路分析,对径向控制磁路进行解耦分析,设计径向力为400 N的磁轴承进行三维有限元仿真分。并通过三维网格图对轴向径向悬浮力进行耦合分析。研究结果表明,在平衡位置附近,轴向径向间彼此解耦,悬浮性能优良。     

永磁轴承轴向悬浮力与刚度特性分析

对常规磁轴承轴向悬浮力与刚度进行了解析计算与仿真分析。介绍了一种新型轴向永磁悬浮轴承及工作原理,运用Ansoft软件Maxwell 3D对新型永磁悬浮轴承的轴向磁悬浮力与刚度进行了有限元仿真分析,并完成了样机。实验结果表明,轴向承载力的计算值与实测值基本吻合;在偏心距的实际应用范围内,永磁轴承的径向刚度为常量;这种新结构磁悬浮轴承具有较大的轴向力,能够满足工程需求。     

无轴承电动机轴向磁轴承参数设计与控制系统研究

在介绍无轴承电动机轴向止推主动磁轴承结构和工作原理的基础上 ,阐述了其悬浮力产生原理 ,导出了磁轴承吸力方程 ,推导了位移刚度、电流刚度和最大承载力的数学表达式 ,给出了磁轴承气隙磁感应强度、磁极面积、电磁铁参数、线圈腔参数、辅助轴承等设计或计算方法。建立了磁轴承控制系统的数学模型 ,给出了控制器控制算法和控制系统仿真结果 ,并用模拟和数字控制器实现了磁轴承稳定悬浮。研究表明 ,实验结果和理论设计基本一致 ,提出的设计、计算和控制方法是切实可行的。研究成果对制作无轴承电动机轴向定位磁轴承、 5自由度磁轴承和高速飞轮储能系统中磁轴承等具有参考和应用价值     

基于改进SPSO算法优化LS-SVM的六极径向混合磁轴承转子位移自检测技术

为解决磁轴承中采用电涡流传感器或霍尔传感器检测转子位移引起的磁轴承体积大、成本高、可靠性降低等问题,提出一种基于改进的简化粒子群算法优化最小二乘支持向量机位移预测模型的磁轴承转子位移自检测技术。介绍六极径向混合磁轴承的结构和工作原理,并推导其径向悬浮力的数学模型;基于支持向量机回归原理,建立六极径向混合磁轴承的控制线圈电流与转子位移之间的预测模型,并利用改进的简化粒子群算法优化了最小二乘支持向量机的性能参数,实现磁轴承的转子位移自检测。构建六极径向混合磁轴承系统转子位移自检测仿真模型,并进行起浮仿真实验,仿真试验结果证明了该方法的可行性。     

电励磁爪极发电机气隙磁场与径向电磁力的解析计算模型

爪极发电机因其特殊的转子结构导致磁场空间分布复杂,通常需要建立三维有限元模型对其进行计算分析。而三维有限元方法计算费时,且不便于分析发电机结构及电磁参数对磁场和电磁力的影响,因此提出一种气隙磁场与电磁力的解析计算模型。首先,考虑定子相电流谐波对气隙磁动势的影响及爪极倒角和定子开槽对气隙磁导的影响,建立气隙磁场的解析模型;在此基础之上,利用麦克斯韦应力张量法建立径向电磁力的解析模型,并依据解析模型对爪极发电机电磁噪声影响最大的36阶电磁力来源进行分析。所建解析模型的计算结果与有限元计算结果吻合,有限元结果得到了样机试验验证,从而说明了解析模型的准确性。     

采用Halbach磁场的新型被动磁轴承仿真

为了提高永磁磁轴承的轴向承载力和刚度,在对理想Halbach磁场进行分析的基础上,利用分段磁环构成的近似Halbach磁场设计了一个新型的轴向永磁磁轴承.通过有限元软件对这种磁轴承进行了建模仿真,计算了最大承载力以及刚度,并分析了磁环的厚度与高度比值对磁轴承刚度的影响.仿真结果表明,采用Halbach磁场的轴向磁轴承最大可以提供2×106N/m的刚度,高于相同永磁材料用量条件下传统轴向磁轴承的刚度.考虑到这种磁轴承的结构要比传统结构复杂,因此这种磁轴承更适合在对刚度要求高的场合应用.