磁悬浮轴承的原理与应用

磁悬浮轴承的原理与应用北京科技大学吕峰，丁予展，高澜庆１磁悬浮轴承的原理与特点磁悬浮轴承（磁轴承）就是利用磁场力将转轴悬浮在磁场中，使转轴在空间无机械接触、无磨损地旋转。磁悬浮轴承系统具有多种分类方法，但按工作原理可将其分为３类：主动磁轴承（Ａｃｔｉ...     

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。     

永磁偏置五自由度磁轴承结构及磁路分析

介绍了永磁偏置五自由度磁悬浮轴承结构示意图及悬浮力产生的机理，利用有限元计算进行原理仿真，用等效磁路法对永磁和励磁混合磁轴承的磁路进行了计算，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方法。理论研究和仿真分析表明：永磁偏置五自由度磁轴承结构合理紧凑、机械结构简单、效率高。在磁悬浮电机、高速飞轮储能等系统中具有广阔的应用前景。     

三相径向混合磁轴承的结构设计与磁路分析

提出了一种由永磁体产生偏置磁通，通电三相线圈产生控制磁通，使磁轴承稳定工作的三相径向混合磁轴承，对其结构进行了详细说明，对磁悬浮力产生机理进行了分析，并提出了一种电流跟踪型控制方案，最后利用ANSYS对该磁轴承永磁磁路及工作磁路进行了有限元仿真分析。     

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.     

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。     

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.     

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     

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。     

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.     

磁悬浮风力发电机用锥形被动磁轴承分析与设计

为从根本上解决传统风机轴承的机械摩擦问题以有效提高风能利用率,提出了主、被动相结合的风力发电机全磁悬浮支承方案,在对小型水平轴磁悬浮风机轴承系统受力特性分析的基础上,将锥形被动磁轴承作为轴向轴承,利用有限元法分析了其力学特性,并在空间限定的情况下以刚度最大为优化目标对永磁体的尺寸、环数等进行了优化设计,最后给出了锥形被动磁轴承的实例设计结果。     

一种永磁偏置磁轴承容错方法的试验研究

磁轴承控制系统的结构复杂,单个磁轴承控制通道的损坏都会导致磁轴承系统整体失效,其可靠性问题成为制约其应用于要求严格场合的瓶颈问题.为提高磁轴承系统的可靠性,提出一种采用电流分配阵的容错控制方法.该方法针对一种采用Homopolar磁极结构的永磁偏置径向磁轴承的磁悬浮飞轮,通过磁路分析和力不变原理,求解一路线圈或相应功放系统故障情况与正常工作情况下的控制电流关系,进而得到故障情况下的电流分配矩阵.该方法具有原理简单、易于工程实现的特点.试验结果表明:该方法能够在磁轴承线圈(功放)损坏的情况下实现磁悬浮飞轮的静态悬浮和升速,实现了磁轴承线圈(功放)系统的容错控制,提高了磁悬浮飞轮磁轴承系统的可靠性.     

径向永磁轴承承载能力数值分析与设计

研究了一类径向水磁轴承在轴向、径向偏移时承载能力的两种计算方法，着重分析了径向永磁轴承的结构尺寸的优化问题，从理论上阐述了在设计过程中如何确定径向永磁轴承的高度及载面尺寸，对永磁轴承结构尺寸的合理设计有关实际的指导意义。     

三支承磁悬浮轴承的不对中特性

应用多个磁悬浮轴承支承的转子系统,由于机械加工以及安装等方面的误差会导致各个磁悬浮轴承之间有一定的不对中量。提出了将转子偏离磁轴承中心悬浮,以减小各个支承悬浮位置的不对中量;结合单自由度磁轴承控制原理,分析了转子悬浮位置偏离中心对磁轴承悬浮性能的影响;从理论和试验两个方面对比研究了3个不对中磁悬浮轴承支承的转子悬浮在磁轴承中心和偏离中心后磁轴承的控制电流和抗扰动性能。研究结果表明一定程度的偏离磁轴承中心悬浮能够提高磁悬浮轴承系统的稳定性。     

基于神经网络逆系统的单自由度混合磁轴承控制器设计

在介绍永磁偏置单自由度混合磁轴承的结构和运行机理基础上,导出了磁轴承吸力方程.建立磁轴承控制系统的数学模型并验证了其可逆性,构造出其神经网络α阶逆系统并与原系统复合成α阶伪线性复合系统,采用PID进行闭环综合.数据仿真和试验结果表明,该控制策略能有效改善永磁偏置单自由度磁悬浮轴承的控制效果,所设计的控制系统具有良好的动、静态性能.     

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。     

基于最优控制的转子不平衡补偿的研究

磁悬浮转子高速运行过程中,不平衡振动是影响其运行动态品质的主要原因,由于振幅过大、功放饱和等问题,导致系统无法继续提升转速.文中介绍了永磁偏置磁轴承的工作原理和数学模型,在零电流原则基础上,研究了一种基于最优控制的高速磁悬浮转子不平衡振动补偿的方法.仿真结果表明,该方法在转子高速运转时有效地减小了磁轴承功放的控制电流和转子的振动,提高了系统的可靠性和稳定性,为进一步提高磁悬浮转子转速创造了条件.     

主轴系统混合磁悬浮轴承的设计

介绍了永磁偏置的混合磁悬浮轴承的工作原理。导出了主轴系统混合磁悬浮轴承的悬浮合力,得到了它的最大承载力条件及其设计计算公式。建立了混合磁悬浮轴承结构参数的设计计算理论,并在最后得出结论：永磁偏置混合磁悬浮轴承因无偏置绕组而体积小、功耗低;增加永磁体内部磁动势,可增大轴承的刚度,提高其承载能力以及降低控制功耗。     

磁悬浮永磁电机的结构设计与分析

介绍了磁悬浮永磁电机的工作原理,并设计了磁悬浮永磁电机的总体结构以及各部分结构,然后依据相关资料设定了磁轴承整体结构的参数,并通过相关理论公式计算得到磁轴承的相关尺寸。利用ANSYS软件对电机磁轴承部分进行计算,通过分析结果中的磁力线分布、磁感应强度和气隙磁场情况,再对结构进行优化设计。