永磁偏置径向磁轴承在磁悬浮反作用飞轮系统中的应用

针对现有径向磁轴承结构电励磁磁路耦合的缺陷,设计了一种新型径向永磁偏置混合磁轴承结构,介绍了这种轴承的结构特点和工作原理,并利用等效磁路法和有限元法(FEM)对该永磁偏置径向混合磁轴承进行了电磁分析,得出了磁轴承的数学模型和主要参数的设计结果.研究结果表明:该径向永磁偏置磁轴承可以有效地避免磁路耦合现象,提高磁轴承系统的控制性能.     

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.     

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。     

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。     

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.     

永磁偏置径向磁轴承能量优化与实验

针对磁悬浮飞轮低功耗的要求,对一种经典永磁偏置径向磁轴承进行能量优化研究。介绍了磁轴承的磁路结构和工作原理,基于磁轴承电流刚度和位移刚度数学模型,提取出轴承能量优化因子σ。在此基础上,建立了磁轴承功耗的目标函数,并对磁轴承功耗进行优化,得到了最优功耗数学表达式及其对应的σ大小。通过有限元法对轴承功耗优化结果进行仿真验证,其结果与理论分析结果基本吻合。在此基础上,基于优化结果研制了一套磁轴承,并通过改进现有15Nms磁悬浮飞轮进行功耗测试。结果表明:振幅为10μm时,单组绕组的最优功耗为0.87W,与理论最优值0.79 W的最大误差为9%。该能量优化方法提高了磁轴承低功耗设计效率,对飞轮系统整体功耗优化具有重要意义。     

永磁偏置径向-轴向磁轴承控制系统设计与实现

本文在介绍永磁偏置径向-轴向混合磁轴承结构及悬浮力产生原理基础上,阐述了3自由度混合磁轴承控制系统工作原理。讨论了以定点数字信号处理器TMS320F240为核心的数字控制系统硬件构成及软件设计,并对磁轴承控制系统进行了仿真和实验研究。研究表明:以TMS320F240为核心的数字控制系统能够满足磁轴承控制系统的要求。     

磁悬浮飞轮用永磁偏置磁轴承漏磁分析

磁悬浮飞轮用永磁偏置磁轴承的定转子气隙间存在漏磁现象,为了准确计算漏磁的大小,从而精确地对磁轴承进行磁路设计,利用有限元法对该现象进行了分析.通过ANSYS软件针对一台磁悬浮飞轮样机用径向磁轴承的磁场分布进行分析,提出了一种等效气隙漏磁系数的计算方法,得到样机用磁轴承的漏磁系数.样机试验结果表明,用这一方法计算得到的漏磁系数进行磁轴承参数设计及性能分析具有足够的精度,能够满足实际工程需要.     

磁悬浮飞轮用嵌环式永磁偏置径向磁轴承

为满足航天用扁平转子磁悬浮飞轮对低功耗磁轴承的需求,提出一类同极性嵌环式永磁偏置径向磁轴承(Radial permanent-magnet-biased magnetic bearing,RPMB),旋转损耗低,工作气隙径向内外双环、轴向同层分布,径向磁力为平面汇交力系,具有磁极轴向短、可灵活设计的独特优势.根据全主动、主被动两类磁悬浮飞轮的不同需求,采用磁路分析与有限元仿真的方法,对磁极对齐型、磁极交错型、磁极偏置型三种嵌环式RPMB进行了有针对性的分析与设计,所设计的全主动磁悬浮飞轮,具有轴向长度短、质量小、精度高的优点;所设计的两轴主动磁悬浮飞轮,经优化设计,具有高被动刚度、高电流刚度、电流刚度高稳定性的优点.     

飞轮储能磁轴承系统结构及其悬浮特性

介绍了一种由径向永磁轴承与电磁推力轴承组成的单轴主动控制的飞轮储能磁轴承系统结构 ,径向永磁轴承提供径向恢复力与轴向悬浮力 ,电磁推力轴承提供轴向恢复力。并对系统的结构参数计算及其磁悬浮特性进行了分析与讨论。研究结果表明 ,永磁轴承动、静磁环轴向位移对系统承载力与刚度有明显影响 ,采用多对磁环永磁轴承 ,有利于提高系统承载力与径向刚度     

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。     

Modeling and Analysis of Novel Integrated Radial Hybrid Magnetic Bearing for Magnetic Bearing Reaction Wheel

Conventional ball bearing reaction wheel used to control the attitude of spacecraft can't absorb the centrifugal force caused by imbalance of the wheel rotor,and there will be a torque spike at zero speed,which seriously influences the accuracy and stability of spacecraft attitude control.Compared with traditional ball-bearing wheel,noncontact and no lubrication are the remarkable features of the magnetic bearing reaction wheel,and which can solve the high precision problems of wheel.In general,two radial magnetic bearings are needed in magnetic bearing wheel,and the design results in a relatively large axial dimension and smaller momentum-to-mass ratios.In this paper,a new type of magnetic bearing reaction wheel(MBRW) is introduced for satellite attitude control,and a novel integrated radial hybrid magnetic bearing(RHMB) with permanent magnet bias is designed to reduce the mass and minimize the size of the MBRW,etc.The equivalent magnetic circuit model for the RHMB is presented and a solution is found.The stiffness model is also presented,including current stiffness,position negative stiffness,as well as tilting current stiffness,tilting angular position negative stiffness,force and moment equilibrium equations.The design parameters of the RHMB are given according to the requirement of the MBRW with angular momentum of 30 N ? m ? s when the rotation speed of rotor reaches to 5 kr/min.The nonlinearity of the RHMB is shown by using the characteristic curves of force-control current-position,current stiffness,position stiffness,moment-control current-angular displacement,tilting current stiffness and tilting angular position stiffness considering all the rotor position within the clearance space and the control current.The proposed research ensures the performance of the radial magnetic bearing with permanent magnet bias,and provides theory basis for design of the magnetic bearing wheel.     

磁悬浮轴承非定向差动控制方式研究

提出非定向差动控制方式,通过独立控制各差动磁极对,提高参与控制的最少差动磁极对数量,以提高磁悬浮轴承的承载能力。以16极径向磁悬浮轴承为例,详细介绍了非定向差动控制方式与常规差动控制方式,对比了两种控制方式的等效刚度和等效阻尼、复刚度和复阻尼、名义承载力等支承性能。通过高速旋转试验验证两种控制方式下系统的控制性能。理论分析结果表明,采用非定向差动控制方式时,磁悬浮轴承的承载能力提高了8.24%,最大承载力提高了30.657%。试验结果表明,采用非定向差动控制方式时,系统具有更好的控制效果。     

电磁推力轴承刚度非线性的研究

分别用电磁力理论公式和整体模型的有限元方法计算分析了电磁推力轴承的位置刚度和电流刚度随推力盘偏移量x的变化规律及影响因素。结果表明,电磁推力轴承的位置刚度和电流刚度存在着强烈的位移非线性现象,转轴漏磁和材料磁饱和影响了非线性关系的变化趋势。用有限元分析可以得出与实际情况更为符合的刚度曲线,从而为设计电磁轴承的控制系统提供更可靠的依据。     

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。     

电磁轴承磁场计算的磁路法优化

介绍电磁轴承磁场计算和转子受力特性分析的磁路法和有限元法。基于上述两种方法,详细地计算了考虑铁磁材料磁阻及其非线性因数的电磁轴承磁场,讨论了两种方法计算结果的差异。参考有限元法的计算结果,对计算电磁轴承磁场的磁路法进行了优化。优化后的电磁轴承磁路法简单、准确,具有工程应用价值。     

磁轴承谐振电路的稳定性研究

径向磁轴承谐振电路的使用使磁轴承不再需要单独的位移传感器.我们通过径向磁轴承的工作原理,运用控制系统理论分析了径向磁轴承的稳定性.分析表明,径向磁轴承谐振电路的方案在动态过程不稳定,但通过仿真研究的结果表明,径向磁轴承谐振电路虽然存在一定稳态误差,但可以通过PD控制器达到悬浮稳态.     

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.     

新型永磁偏置轴向磁轴承的磁力特性

研究一种集成转子径向扭转与轴向平动控制功能的新型永磁偏置轴向磁轴承的磁力特性,以解决磁轴承系统的轴向尺寸和精度之间的矛盾。采用等效磁路法进行磁轴承的磁路建模,在建立磁极气隙表达式的基础上采用积分型方法进行磁阻计算以提高计算精度,并根据磁路模型给出磁轴承磁力的积分型计算公式,得到轴向磁轴承闭环系统的磁力特性曲线。对某飞轮用磁轴承系统的分析表明:磁轴承磁力与磁极气隙和控制电流间具有良好的线性关系,且各控制通道近似解耦,与典型磁轴承结构相比,利于磁轴承系统控制精度的提高和轴向尺寸的减小,适用于磁悬浮飞轮系统。