垂直轴盘式电机磁浮轴承系统研究

针对永磁磁悬浮轴承的承载力、刚度过低等问题,对永磁磁悬浮轴承的结构单元构成、结构优化等方面进行了研究,设计了一种由径向三环磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承两个独立悬浮单元构成的,适用于垂直轴盘式电机的全悬浮永磁轴承系统。采用田口算法对上轴向磁环进行了多目标优化,通过结构对比、参数确定以及仿真优化,详细分析了径向磁悬浮轴承与轴向磁悬浮轴承的设计方案;并以磁环宽度w、磁环高度h及磁环间气隙g为优化变量,以承载力、刚度为优化目标,利用仿真建模验证了该方法的有效性。研究结果表明:设计的新型径向磁悬浮轴承刚度提高了2.4倍,优化后的轴向磁悬浮轴承承载力提高了175 N,轴向刚度提高了1.5倍;系统悬浮性能优良、结构紧凑、参数设计合理。     

基于ANSYS的推力永磁轴承磁力特性研究

对一种推力永磁轴承进行了力学特性分析,由于其只产生轴向位移且具有轴对称结构,故将其简化成轴对称二维平面模型进行研究,利用ANSYS对其1/2模型进行磁力特性的计算分析,分别得出其动、定磁环宽度、厚度、截面积和气隙对轴向承载力和轴向刚度的影响。通过对比分析可知,在设计推力永磁轴承时,为了得到理想的承载力和刚度,动、定磁环的尺寸应一致,磁环的厚度与宽度应相等,磁环截面积的选取当以满足承载刚度为准,磁环气隙的选择应视工况而定。     

五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性分析

为探讨永磁悬浮轴承系统的稳定悬浮特性,从轴承刚度角度对五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性进行了分析。采用等效磁荷理论建立永磁轴承的承载力、承载力矩和刚度的数学表达式,并利用蒙特卡洛法对表达式中存在的四重积分进行求解。探究转子在受迫进动情况下以及受到外力矩干扰时继续保持稳定旋转所需要的最低临界转速。基于轴向永磁轴承与径向永磁轴承的结构,提出一种六磁环五自由度全永磁轴承系统结构模型,对全永磁轴承的转子系统承受轴向和径向外载荷的承载力、力矩和承载刚度进行分析,得出轴向可以承受外载荷而径向无法承受外载荷,即静态下轴向可以稳定悬浮、径向不能稳定悬浮,符合Earnshaw定理。利用刚性转子的陀螺惯性力矩来承受全永磁轴承系统的不平衡力矩和外力矩,从而保持转子定轴自稳定悬浮,并对系统稳定悬浮特性进行计算,结果表明转子在超过最低临界转速后是可以实现动态稳定悬浮的,具有一定的工程应用价值。     

一种径向永磁轴承设计与研究

建立一种径向永磁轴承系统,永磁轴承的设计便被简化为单端径向永磁轴承设计与分析。采用ANSYS磁场求解方法,建立单端径向永磁轴承3D有限元模型,分别得出动静磁环轴向宽度、径向宽度、截面面积和间隙对其径向承载刚度的影响,这为此类径向永磁轴承的设计提供了优化依据。     

基于等效电流法的永磁轴承分析

承载力和刚度的计算分析是永磁轴承设计的主要内容.基于等效电流法建立了永磁轴承的数学模型,推导出了轴向磁化永磁轴承轴向力及径向力的理论计算公式,并将数值计算结果与基于等效磁荷法的计算值进行了比较,进一步说明了两种算法的等效性.对径向采用主动磁悬浮轴承、轴向为永磁轴承的转子系统的轴向承载力及刚度特性进行了试验研究,得出一些对永磁轴承的设计可以提供一定参考的依据与结论.     

轴向放置轴向磁化的双环永磁轴承径向磁力研究

为了解决轴向放置轴向磁化的双环永磁轴承缺乏径向磁力解析数学模型等问题，在分析双磁环气隙磁导的基础上，结合稀土永磁材料特性和磁通连续原理，用虚位移法得出轴向放置轴向磁化的双环永磁轴承径向磁力解析数学模型。模型表明：该型永磁轴承径向磁力与磁环剩磁感应强度的平方成正比；径向磁力近似与磁环的平均直径成正比；磁环径向磁力随磁环径向宽度、轴向长度及磁路总磁导的增大而增大，随磁环相对磁导率及轴向间隙的增大而减小。模型计算值和试验值基本吻合。     

基于偏转模型的轴向磁化径向永磁轴承磁力特性研究

分析了机械永磁轴承系统中永磁轴承内磁环的运动规律;运用有限单元法分析了轴向磁化单对径向永磁轴承偏转模型和径向偏移模型的磁力之间的关系,得出运用径向偏移模型会高估轴承的径向磁力而低估轴承的轴向磁力：运用同样的方法分析了在偏转模型中轴向磁化单对磁环的磁力与它的外形尺寸之间的关系,得出其径向磁力随气隙的减小或磁环厚度的增大而增大,轴向磁力随气隙的减小而增大。     

轴向磁化永磁轴承的刚度特性分析

利用永磁体等效电流模型,以轴向磁化的永磁轴承为对象建立了刚度矩阵,通过无量纲化,分析了各个尺寸参数对刚度的影响规律,并绘制了相应的变化曲线图,分析结果表明:在轴向力和径向刚度分析中,当R/a>3时,磁环外径作为弱影响参数可以被省略;在倾斜刚度和耦合刚度分析中,外径的影响规律不能被忽略;当磁环的高度和厚度相等时,永磁轴承性能最优。     

基于ANSYS的径向永磁轴承承载特性研究

文章介绍了径向永磁轴承的特点及结构分类,分析了影响径向永磁轴承承载特性的因素,然后对构成径向永磁轴承的磁环的装配和磁化方向进行了分析,最后利用ANSYS软件通过理论计算对轴向磁化径向永磁轴承承载特性进行了研究,为径向永磁轴承的工程应用提供了依据。     

轴向放置轴向磁化的多个永磁环轴承轴向磁力研究

为了解决轴向磁化永磁轴承磁力偏小的问题,该文设计了能充分利用磁能、具有更大轴向磁力的轴向放置轴向磁化的多个永磁环轴承新结构。基于分析磁环气隙磁导及稀土永磁材料特性,结合磁通连续原理和线性叠加原理,用虚位移法对气隙磁能求偏导,得到了该型永磁轴承轴向磁力解析模型。模型表明:轴向放置轴向磁化的多个永磁环轴承轴向磁力与磁环剩磁感应强度的平方成正比;轴向磁力随磁环的径向宽度、平均直径、磁环数及磁路总磁导的增大而增大,随磁环轴向平均间隙、径向平均间隙增大而减小。在一定轴向尺寸内,单个永磁环磁化方向的长度小,则磁环数增多,轴向磁力增大。经验证,模型计算值和实验值基本吻合。     

永磁磁轴承数学模型的研究

对永磁磁轴承的5种建模方法及所建立的数学模型进行了比较,并以径向磁轴承为例进行了计算。发现在形状、尺寸和磁化强度相同的情况下,磁环轴向磁化与径向磁化所得的径向刚度及轴向力均存在差异;将环形磁体作为无限长条形磁体处理,忽略磁环曲率影响,建立的通用模型仅适用于磁环直径相比磁环截面而言非常大,且磁环截面尺寸比气隙小或相等的情况:采用等效磁荷法,按磁化方向不同建立的数值积分模型,能够较好地描述磁轴承径向力及轴向力随动、静磁环相对位置变化而变化的特性。     

基于轴向电机泵的被动永磁轴承设计与力学分析

随着现代先进制造业的高速发展,对于轴承的要求越来越高,传统轴承很难满足这些要求。将磁悬浮技术引入泵的转子系统上,用被动永磁轴承替代传统的机械轴承,基于磁路设计原理计算出轴承尺寸,并通过等效磁荷法分析永磁轴承的承载力及轴向力。     

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.     

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.     

外加磁场对磁流体润滑油膜轴承的影响

为了研究磁流体润滑油膜轴承内磁场的分布情况,分别通过永磁铁、螺线管及亥姆赫兹线圈对其施加3种不同形式的外磁场。通过磁场二维实体有限元模型的数值仿真,分析在3种模型下磁流体润滑油膜轴承的磁场分布特性,并比较磁场在油膜区的分布情况。结果表明,永磁铁模型的磁场主要分布在永磁铁、油膜、轴承座以及靠近磁铁的轧辊部分,螺线管模型的磁场主要分布在油膜、轴承座以及靠近磁铁的轧辊部分,亥姆霍兹线圈模型的磁场主要分布在线圈以及油膜的端部;3种模型在油膜区磁场分布沿轴向均呈现中间小、两端大的不均匀现象,且具有端部效应;永磁铁模型和螺线管模型在油膜区磁场沿径向分布均匀,亥姆霍兹线圈模型沿径向分布不均匀。     

Magnetoelastic Stability of Magnetic Axial Bearings

Permanent magnet bearings offer no wear and no mechanical friction. Recently, Rare Earth (RE) permanent magnets have been used, which give rise to force fields 20 times greater than those of common magnets. RE also allows to build magnets suitable for bearings of every shape. RE bearings are then profitable. On the other hand, permanent magnet bearings are unstable. For example, the levitated ring of the axial bearing with opposite magnetic fields of Fig. 1 is stable axially, but unstable radially. It has been, however, verified that a permanent magnet system may become stable under peculiar conditions. As an example, if the above-mentioned levitated ring is subjected to a parametric axial excitation, its radial instability can be removed. In our opinion, it may also be possible that stability is obtained by exploiting microstructural properties of ferromagnetic materials, especially of RE, like dimensional and magnetic changes if subjected to mechanical stresses. Then, in this paper, the stability of the levitated member of an RE axial ring bearing is investigated by a suitable exploitation of magnetoelastic properties of the ring.

磁悬浮轴承在高速旋转机械上的应用及一种混合径向磁悬浮轴承的设计

着重阐述高速轴承家族的一颗新星一磁悬浮轴承。第一部分讲述磁悬浮轴承的工作原理及其分类,磁悬浮轴承的特点及国内外对这项技术的研究与应用现状,并预测它的发展前景;第二部分结合具体生产实践,提出一种混合径向磁悬浮轴承的设计,对径向被动磁轴承部分进行了定性分析,对其工作稳定性和可靠性进行了理论论证,详细讨论了各种因素对其径向稳定性,轴向稳定性和横轴稳定性的影响,提出了消除这些影响的方法与措施,通过计算机数值分析掌握了磁环几何参数对磁轴承径向刚度的影响,并对磁轴承的径向刚度进行校核,对轴向主动磁轴承部分给出一种完全新型结构和控制方法,具有结构紧凑、控制电路简单、方便实用的特点。本文为混合磁悬浮轴承的设计提供了一定的理论基础,按此设计原理和计算公式,可设计出多种负载能力的径向混合磁悬浮轴承。     

磁化不均匀性对永磁推力轴承性能的影响

通过试验测量了永磁轴承磁环不均匀磁化的分布,分析了磁体间隙对不均匀磁化的影响.运用磁荷理论建立了计算永磁推力轴承承载力模型,研究了磁铁磁化不均性和软磁材料对轴承承载力及刚度的影响.制造了验证该模型的试验装置.计算和试验表明,随着磁隙的减小,磁块间隙的增大,磁力和刚度的变化增大.     

一种新型组合磁悬浮支承系统的分析

提出了一种新型的磁悬浮支承系统，它是由电动磁力轴承和带锥面磁隙的永磁磁力轴承构成的。分析了电动磁力轴承的悬浮机理，对比分析了平面磁隙和锥面磁隙的两种永磁磁力轴承的悬浮特性，利用电磁场有限元理论计算了两种永磁轴承在不同径向偏移时的径向磁力，并绘制了它们的关系曲线。     

飞轮储能系统中径向永磁轴承的设计研究

为解决飞轮系统中因轴承摩擦导致的能量损耗问题,设计了一种可以应用于飞轮系统的径向永磁轴承.分别利用Yonnet简化数学模型和有限元分析软件ANSYS Workbench,对轴承中的磁环进行了承载能力的计算和分析.结果表明,磁环所受径向力随磁环厚度、径向偏移量增加而增加,但其增加关系有所不同;另外,随着轴向偏移的增大,径向力逐渐减小、轴向力迅速增大.