论文总字数：37226字

摘 要

本论文主要研究了永磁偏置型轴向径向磁轴承的拓扑结构、工作原理、参数设计与、并用Ansoft软件进行磁场仿真分析。为了最大限度地降低能量损耗并且抑制并网风电系统输出功率的波动，提高电能质量。我们将磁悬浮技术与飞轮储能技术相结合应用于风电系统并网运行中，通过研究永磁偏置型轴向径向磁轴承，来促进磁悬浮技术的发展。 磁悬浮轴承按照磁力的提供方式，可以分为主动型磁悬浮轴承、被动型磁悬浮轴承和混合型磁悬浮轴承3 种。但是由于轴向-径向混合的磁悬浮轴承用永久磁铁产生的磁场取代主动磁悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，具有降低功率放大器的功耗，减少电磁铁的安匝数，缩小轴承的体积，提高承载能力等优点，所以研究永磁偏置型轴向-径向磁轴承是磁悬浮轴承的一个重要的研究方向

本文研究把轴向和径向自由度的磁轴承变成一个整体，采用了以永磁体作为轴向−径向磁轴承的静态偏置型磁场。此轴承减少了整体的体积，并且还提高了转子的性能，轴承的成本得到了很大程度的降低，将来在磁轴承系统、磁悬浮电机和高速飞轮储能系统将会有很大的应用空间。

关键词：永磁偏置型磁轴承 轴向-径向 参数设计 有限元分析

ABSTRACT

Combined the maglev technology with flywheel energy storage technology into the wind power grid-connected system, can minimize the energy loss and effectively inhibit the output power fluctuation of wind power, and also improve the quality of electric energy. This article is studied on permanent magnet biased axial radial magnetic bearing topology, working principles, method of parameter design and optimization , magnetic field simulation analysis and zero current control strategy.

Permanent magnet biased magnetic bearing use the permanent magnetic material to establish the bias magnetic field. This kind of magnetic is small and it has a compact structure and high reliability. And due to the reduction of the number of control winding and power amplifier, the power consumption of the system is greatly reduced. This paper introduces the permanent magnet biased magnetic bearing according to the different classification methods, and after analyzes the structure characteristics of a variety of permanent magnet biased axial radial magnetic bearings, it tells the working principle of the classic structure of permanent magnet biased axial radial magnetic bearing, which makes the foundation for the research of parameter design method and control strategy.

Through the analysis of the magnetic field of the permanent magnet biased axial radial magnetic bearing, the equivalent magnetic circuit of the bias magnetic field and the controlling magnetic field were established. The bias magnetic flux and the control flux in the axial and radial air gap is derived on the basis of the equivalent magnetic circuit. And the displacement stiffness and current stiffness is also obtained based on the relationship between the flux and force. As the total magnetic flux is constant, the superimposed magnetic field flux density on the soft magnetic material is derived, and it should satisfy the saturated constraints and minimize the volume of magnetic bearing. Optimize the design parameters of the magnetic bearing and finally get the parameters design and optimization formula of the magnetic bearing.

Through the finite element simulation software to have a 3D static magnetic field simulation, then we take the reluctance coefficient and magnetic flux leakage coefficient to

KEYWORDS：Permanent magnetic bearing；Axial radial；Parameter design；Finite element analysis

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1课题的研究背景 1

1.2课题的国内外研究现状的介绍以及应用 2

1.3课题设计的应用前景 5

1.4 软件介绍....................................................................................................................6

第2章 永磁偏置型磁轴承的拓扑结构与工作原理 7

2.1 永磁偏置型磁轴承的分类 7

2.2 永磁偏置型轴向径向磁轴承的结构分析 7

2.3 永磁偏置型轴向径向磁轴承的工作原理 8

第3章 永磁偏置型轴向径向磁轴承的参数设计方法 9

3.1 磁路概述 9

3.2 磁场总磁通量的计算 10

3.3 磁性材料参数设计 11

3.4 绕组线参数设计 18

3.5 参数优化.....................................................................................................................................21

第4章 永磁偏置型轴向径向磁轴承的磁场仿真与分析 22

4.1 有限元分析软件ANSYS 22

4.2 初值参数的磁场仿真与分析 23

4.2.1 偏置磁场仿真 26

4.2.2 控制磁场仿真 32

4.3 终值参数的磁场仿真与分析 33

4.3.1 偏置磁场仿真 33

4.3.2 控制磁场仿真 37

4.3.3 叠加磁场仿真 39

参考文献 40

致 谢 45

1. 绪论

1.1 课题的研究背景

随着经济的发展，大量的非可再生能源被迅速的消耗，各个国家都迫切想要寻找未来可用的能源，于是各个国家对新能源和飞轮储能技术越来越重视，这为磁轴承技术的研究和开发开辟了新市场。

而我国风力资源十分丰富，根据资料显示，我国距地10米高的风能资源总储量约为32.26亿千瓦，可丽影的风能资源为2.53亿千瓦， 同时近海风资源为远海风资源3倍，所以，我国实际可开发风能资源总储量可达到10亿千瓦。我国的风力资源主要集中在三东北、西北和华北地区，然而这些地区的电网建设都相对薄弱，加上风的随机性、间歇性特点，风电机组的并网已经给现有电力系统的正常运行带来了极大的挑战^[1]。因此，从现实的电网运行情况及大规模开发利用风电的长远利益出发，如何有效抑制风电功率波动，平滑输出电压，提高电能质量，是目前风力发电技术的重要研究方向，在飞轮储能装置中磁轴承是关键部分，因此磁轴承的研究和开发是风力发电的关键环节。

传统的支持轴承发动起动功耗大，而磁悬浮轴承可以有效的解决这一问题，磁悬浮轴承有效地降低了电机的起动力矩，提高了发电机的效率。永磁偏置磁轴承是利用永久磁铁所产生的磁场来取代主动磁悬浮轴承中的静态偏置磁场，功耗低、电磁铁匝数少等优点，在飞轮储能和涡轮分子泵等高速应用场有非常好的前景。结构简单，控制方便，适用于低功耗的高速场合。

1. 课题的国内外研究现状的介绍以及应用

国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室及工业试验运行阶段，未见批量生产的例子报道。1986 年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学对“磁力轴承的开发及其在 FMS中的应用”课题进行了研究。清华大学对磨床电主轴及磁悬浮轴承相关的电涡流传感器、数字控制器、最小脉宽功率放大器进行了研究，并在无锡机床厂进行了试验，静态刚度为39.3N/μm。西安交通大学对支承飞轮的磁悬浮轴承和涡轮膨胀机用磁悬浮轴承进行了研究。上海大学试验研究的磁悬浮轴承制氧透平膨胀机12000r/min 时振动为

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