论文总字数：14537字

摘 要

磁悬浮轴承，是利用电磁力将转子悬浮于空间的一种新型支持装置，现在已经因其无机械摩擦、无污染、不需润滑、使用寿命长等特点尤其被应用于真空或高速等复杂环境中。而轴向磁悬浮轴承是在他的轴向方向对进行支持，是磁悬浮轴承技术发展的重要方向。

本文介绍了磁悬浮轴承的发展历史、分类以及工作原理，对轴向电磁轴承的结构进行了分析和参数设计，并以承载力一定，体积最小为目标进行了优化。在此基础上，利用有限元分析软件进行仿真。

关键词：轴向电磁轴承 优化设计 有限元分析

Design of electromagnetic offset axial magnetic bearing for turbine machinery

Abstract

Maglev bearing is to use electromagnetic force to suspend rotating parts in space, due to no mechanical friction, no lubrication, small vibration, stiffness damping adjustable and controllable and other advantages.

This paper introduces the development history, classification and working principle of magnetic levitation bearing, analyzes the structure and parameter design of axial electromagnetic bearing, and optimizes it with a certain bearing capacity and minimum volume as the goal. On this basis, the finite element analysis software is used to build a 3d model and carry out simulation.

Key words：Axial electromagnetic bearing；The optimization design；Finite element analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 磁悬浮轴承发展历史和国内外发展情况 2

1.3 磁悬浮轴承的分类 4

1.3.1主动磁悬浮轴承 4

1.3.2被动磁悬浮轴承 4

1.3.3混合磁悬浮轴承 4

1.4 本文主要研究内容 5

第二章 轴向电磁轴承结构优化 6

2.1 轴向电磁轴承轴承结构和工作原理 6

2.2 磁路基本定律 7

2.2 轴向电磁轴承的设计 9

2.2.1磁场总磁通量的计算 10

2.2.2轴向控制绕组参数的设计 11

2.2.3内轴向磁极参数的设计 11

2.2.4定子圆盘参数的设计 12

2.2.5外轴向磁极参数的设计 12

2.2.6以体积最小为目标的参数优化 12

第三章 轴向电磁轴承系统的仿真研究 15

3.1 ANSYS软件简介 15

3.2 轴向电磁轴承的仿真分析 18

3.3 仿真结果及分析 19

3.3.1基于最终设计参数的磁场仿真与分析 20

第四章 总结与展望 25

参考文献 26

1. 绪论

1.1 课题研究背景

磁悬浮轴承是高性能的新型轴承，它避免了机械接触而是利用磁力让轴承得以悬浮。磁悬浮轴承因为拥有高速、参数可控、免于润滑、无机械摩擦及损耗等一系列优点而受到科学和工业领域的广泛关注。磁悬浮轴承涉及到电磁学、电力电子技术、工程控制学、信号处理、机械动力学等多种学术领域，是一种机电一体化的典型。现如今，得益于磁悬浮相关领域的科学进步、新型电磁材料的开发利用、转子动力学的进步等，磁悬浮轴承的相关研究也取得了飞速的进步。

磁悬浮轴承目前已经在航空航天领域、飞轮储能和高精度金属加工以及机床高速化等诸多领域得到了大量的实际应用，但是，在轴承应用的传统领域，磁悬浮轴承依然没有得到很好的实际应用，因此，磁悬浮轴承技术仍有许多理论上和产业化的问题需要解决，具体有如下几点表现：

⑴控制系统存在问题

目前，要想使磁悬浮轴承能够稳定高速运转，依然有许多控制系统方面的问题需要解决，磁悬浮轴承由于性质问题而具有很强的非线性和分布参数，因此对磁悬浮轴承的控制方面的理论研究要具有针对性，并且为了有效改进，要从控制系统和转子动力学特性等多方面考虑其控制问题，从而更好得实现对轴承控制。

⑵新的磁材料的问题

磁悬浮轴承的性能还深受其所用材料的影响。例如，铁磁材料的离心力会限制磁悬浮轴承的转速，材料的饱和磁密度和磁滞特性也会影响电磁力和线性度。铁磁材料的涡流损耗影响磁悬浮轴承的功耗。再比如通常情况下为减少涡流损耗，要在制作轴颈时要将铁磁材料与主轴叠压在一起，在这个过程中一般的材料会因为残余应力而限制轴承的转速。所以如果能够成功研制新型材料来打造轴承，就可以是磁悬浮轴承不再受限于硬件。

⑶转子动力特性存在的问题

在磁悬浮轴承中，由于转子要跨越高阶临界转速而且轴承要高速运行，所以要求其是柔性，因此磁悬浮轴承系统另一个亟待解决的主要问题在于转轴系统能够提供的阻尼和刚度。

1.2 磁悬浮轴承发展历史和国内外发展情况

1937年德国的Kemper做了第一个过河的人，他首次申请了关于磁悬浮轴承的专利，并且提出要想让物体实现稳定悬浮，仅靠永磁体是不能实现的，必须要用外加的电磁铁来施加可控电磁力，并且于次年成功让重量为10Kg的物体实现了稳定悬浮。此后所有关于磁悬浮列车等技术都是以此为指导而进行的。到了20世纪60年代，英国、美国、日本以及德国等国家都以不同的方式和方案设计出了磁悬浮列车的样机。法国的S2M公司在1972年做了一套电磁偏置磁悬浮轴承系统，这是世界上的处女作；美国在1983年成功研制了磁悬浮轴承真空泵并将其应用于航空航天领域。目前，外国的学者和工业工厂在磁悬浮方面已经登堂入室，所能实现的性能也已经很高。从1991年起，美国每两年均会召开一次国际磁悬浮技术研讨会，这都推动了磁悬浮轴承在工业中的广泛应用。1992年，北卡罗来纳州大学的Trump等人在SPIE会议上提出了磁悬浮轴承在光学领域的应用，并且能够实现六自由度全控制。1997年美国学者Scholten在美国机械师学会上发表论文，基于建模和转子动力学阐述了磁悬浮轴承在高温燃气轮机中的应用，解释了限制条件和轴承所需的性能目标。2003年，奥克兰大学的Kacprzak 等人在IEEE国际磁学会议提出磁悬浮轴承用于转子悬架，虽然这种设想并不完善，但是为后人开启了研究空间。2013年，日本的伊藤等人提出了一种新型的，零功率控制的磁悬浮轴承。2014年，弗吉尼亚大学的Paul等人在ASME涡轮博览会上提出了利用磁悬浮轴承技术制造人工心脏泵的新方法。2018年，日本的中泽等人在国际电力电子会议上提出了磁悬浮轴承在离心机中的实际应用，并且给出了一种体积更小、径向承载力更高的轴承结构，提高了运行效率。

我国对于磁悬浮轴承的研究起始于二十世纪六十年代，几十年来，我国的研究人员做出了很多有意义的工作。西安交通大学首先开始进行了对磁悬浮轴承的研究；清华大学也设计出了一种性能极佳的的磁悬浮高频电主轴；哈尔滨工业大学在磁悬浮飞轮方面进行了研究；南京航空航天大学对于磁悬浮轴承的研究则十分重视并投入了大量精力，许多南航出身的学者都在磁悬浮轴承领域取得了出色的进展。南航磁悬浮应用技术研究所从1992年起开始研究， 其获得的成果多次受到江苏省奖赏甚至国内的赞誉。2006年，合肥工业大学的赵韩等人详细分析了轴向电磁轴承的结构，并且将磁路法与有限元法进行对照，为人们的研究选择提供了参考。2007年，合肥工业大学的刘建明等人研究了定子线槽形状对于产生电磁力大小的影响，为轴承的结构设计提供了一种优化理论方式。2016年，山东大学的刘淑琴等人对轴向电磁轴承的多自由度承载力展开研究，在磁路法基础上推出轴承在轴向和径向的承载力，并借助有限元仿真分析出了影响轴向电磁轴承气隙磁密度的因素，为实现轴向电磁轴承的多自由度悬浮提供了理论基础。时至今日，我国对于磁悬浮轴承的研究虽然还是不及国外的超前，但是已经在许多复杂的生产领域进行了设计和实验，开发出的新型轴承也越来越能适应高要求的环境，但是依然远远没有到达广泛应用于工业生产，达到代替传统轴承的地步，因此，我们依然要致力于创新研究而不可自满。

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