电磁轴承的结构优化设计.pdf

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1、维普资讯http://www.cqvip.com袁崇军等：电磁轴承的结构优化设计电磁轴承的结构优化设计垒蛊生杨涌袁祟军(西安交通大学西安7]0049)摘蔓电磁轴承结构参数的正确设计是保证其承载能力要求和运行稳定可靠的前提．本文以结构参数为变盈，在考虑磁阻和沮升条件下给出基本方程式．以体积最小为优化目标，采甩s哪法进行优化设计．在计算中比较了瓣磁对优化结果的影响．所得结论对电磁轴承结构设计有实际指导意义．关曩调电磁轴承皇壁垒堪丝墼盐q~Jq．T’‘H’‘133’．一3Hlz己引富磁轴承是利用磁场力实现转子稳定悬浮的新型轴承．其工作

2、原理及优点已有许多文献作过介绍【．。。根据磁场力是否可控可分为主动式与被动式两类．主动式磁轴承(AMB，本文简称电磁轴承EMB)主要由轴承体一定子(电磁铁)和控制系统组成。图1给出了径向轴承的定子、转子和推力轴承的电磁铁(定子)与推力盘的结构简图．为克服涡流损耗，定子及转子(轴颈)套环均采用磁锕片叠成．⑧⑧嚣弪向轴最撞力轴承图1与其他轴承一样，电磁轴承必须具有足够的承载能力和动刚度以保证转子系统的可靠运行·在设计轴承定子(以下称电磁铁)时首先要考虑静态承载能力的要求，其动刚度则主要由控制系统来保证口[

3、]。本文从静态承载力要求出

4、发，以体积最小(或重量最轻)为目标，对电磁铁进行优化设计．虽然曾有人做过这类工作，但由于是从简化模型出发且未计入导磁体磁阻、收稿日期1995一Ol一25·现在甘肃工业大学工作维普资讯http://www.cqvip.com‘机械科学与~)t995年第6期搪磁及温升的影响，故会带来一定的误差。本文企图在考虑上述各因素影响的条件下，针对不同给定参数如承裁力、电磁铁内径、温升等，通过优化设计了解它们对电磁铁和极敦、冲片型式、轴向长度、承裁比以及激磁安匝数豹影响。文中对径向轴承推导的基本公式和采用的优化方法同样适用于推力轴承。1基本方程

5、径向轴承的电磁铁类似于电动机的定子结构，磁极敦可以是8极、16极或更多．材料通常采用薄的硅锕片或铁钴合金锕片．线圈绕在各磁极上[：嘲。电磁铁的槽(窗口)的形状有图形的、梯形的或多角形的，如图1、图2所示．L目匿2图3不失—般性，本文以图2且所示的16概圆形槽(其放大图如图2b所示)电磁轴承为倒给出基本方程和目标函数舶数学模蕾及优化方法。1．1电盛吸力公式霸们先以图3所示单自由度两磁极电磁铁为倒，假定电磁铁与轴颈阿的气凉很小，认为磁通沿气骧作均匀分布，根据迈克斯韦方程，单边气骧产生的电磁力为F=B／2。(Ⅳ)(1)式中，B为气凉磁

6、通密度(T){s为磁极有效面积(cm)；为空气导磁率(H／m)。轴颈在平衡位置(电磁铁的几何中心)时，B=，上下两电礁力平衡。B为电磁铁的静态工作点一对硅钢片而言B。z0．5T～0．6T。由于干扰的存在，一旦轴颈产生位移，控制系统立刻使电磁铁的电流发生变化，相蠹应地有磁通密度变化量AB，从而产生恢复力，使轴颈回到平衡位置．该恢复力即电磁轴承的承载力毒Fl一，2一(8／2~0)[0+AB)一(口0一AB)。](2)通常，AB

7、，吸力在相应坐标上的合力最大值一=K^·(2口／0)等KR(2B~lL。K．／。)(d)式中，So为单个磁极的有效面积(mm。)，Sa=tL~K；l为单个磁极的弧长(ram)；L为电磁铁轴向长度(叠片厚度)(ram)；K为燕片系数，K=0．9；KR为合力系数，K=3．6。设计轴承时，要求最大承载力★于给定载荷。设给定载荷为F，不妨取F一=(1．2～15F，以此构成性能约束之一。维普资讯http://www.cqvip.com囊崇军等：电磁轴承的结构优化设计·31·由式(d)可得到电磁轴承的承载比表达式P=F一2L，=K^(2B5

8、f。／D2)(5)式中，D为电磁铁的内径，即轴顼直径。L．2磁势平衡方程式电磁铁激磁线圈的极性保证了在1／4象限内磁极的极性按NSSN排列，并认为各磁路独立，不考虑相互问的耦合。如果不计瀛磁，柑磁路各部分的磁通密度和磁场强度是定值。如图2所示，各段的磁压降分剐是：电磁铁内为H。k{轴颈内为HII气隙内为B。6o口，这里H。、H分别为电磁铁和轴颈内的磁场强度lL、l直为磁路的平均长度。其中电磁铁部分盼平均长度为z．一(R+e／2)+2(a+b+c)轴顼部分的平均长度为．=f+n(D：一)／N，式中，N。为磁极数，这里N。=16{t

9、为磁极宽度。闭合磁路的磁势平衡方程式为2(IN)=2B0／+日^+HRt^(6)又，2(IN)一j稍／2一JK。(7)得电流密度J一(2Bo~e+H上+H-f^)／K-(8)当选定每块磁极上的激磁线圈匝数N后，偏置电流Jn一(IN)／N(9)导线直径r，————