逆变器驱动式六极径向-轴向混合磁轴承结构原理及性能分析

针对三极磁轴承结构不对称及其三相电流之和必须为零的限制所导致的悬浮力和控制电流之间存在非线性、强耦合的问题,本文提出了在空间上对称分布的六极磁轴承,并对其结构原理及性能展开研究。首先,介绍了逆变器驱动式六极径向-轴向混合磁轴承的结构和工作原理,采用等效磁路法推导出数学模型;其次,通过理论分析和有限元仿真分别得出三极结构与六极结构的力-电流特性、最大承载力,并对结果进行对比分析;最后,实验研究表明:相比于三极结构,六极结构的悬浮力和控制电流之间的非线性得到了明显的改善,最大承载力提高16%,验证了理论分析的正确性。

基于Simscape物理模型的径向-轴向混合磁轴承偏置磁场耦合分析

为探究径向-轴向混合磁轴承偏置磁场耦合效应,分析典型径向-轴向混合磁轴承的基本结构和承载力模型,然后基于Simscape参数化建模优势,建立了其Simscape物理模型;通过对比仿真结果与理论值验证了模型的准确性,最后通过修改径向和轴向偏移量,分析了各气隙位置偏置磁通密度的变化规律。结果表明:随着径向偏移量增加,与之垂直的径向方向偏置磁通密度显著减小,轴向偏置磁通密度略有增大,径向相互耦合作用较强;随着轴向偏移量增加,径向两个方向偏置磁通密度均略有增加;可为径向-轴向混合磁轴承的结构优化及转子振动控制提供参考。

交流径向-轴向六极混合磁轴承结构及其悬浮力特性分析

为降低三极混合磁轴承径向悬浮力的非线性并进一步降低磁轴承的功耗和成本,提出一种交流径向–轴向六极混合磁轴承。首先介绍交流径向?轴向六极混合磁轴承的结构和工作原理,推导其径向、轴向悬浮力的数学模型;其次,根据数学模型重点分析径向悬浮力线性度及耦合特性,利用有限元分析软件分别对其径向、轴向悬浮力进行仿真分析验证,并与三极混合磁轴承作相关参数对比。最后构建实验平台进行悬浮和扰动测试。研究结果表明:交流径向?轴向六极混合磁轴承径向悬浮力模型可等效为线性模型;轴向位移产生的磁阻力能将转子稳定悬浮于轴向平衡位置。

基于磁路分析的轴向混合磁轴承径向承载力解析计算

研究轴向混合磁轴承实现五自由度悬浮时,需要计算径向承载力与磁轴承结构参数以及永磁体参数之间的关系。为了解决轴向混合磁轴承缺乏径向承载力解析数学模型的问题,该文在分析轴向混合磁轴承磁路以及各部分磁导的基础上,结合稀土永磁体的工作特性,用虚位移法得出了轴向混合磁轴承的径向承载力解析数学模型。模型表明,在小径向位移时,该型的混合磁轴承径向承载力随着径向位移增加而增加,近似线性关系,径向承载力和刚度随轴向气隙增大而减小;磁轴承径向承载力随永磁体的有效长度增加呈现先增大后趋近饱和。利用有限元方法对径向承载力进行仿真计算,仿真结果与模型计算结果基本吻合。

逆变器驱动对三极径向–轴向混合磁轴承径向承载力的影响

三极径向–轴向混合磁轴承径向采用三相功率逆变器驱动,具有成本低、体积小、功耗低的优点。但由于逆变器三相电流和为零的条件以及三极磁轴承的自身结构特点,使逆变器驱动对磁轴承的径向承载力产生一些影响。该文首先介绍了三极径向–轴向混合磁轴承的结构与工作原理,建立气隙中磁通的数学模型,然后根据数学模型分析直角坐标轴各方向产生最大悬浮力的条件,并得到了各个方向最大悬浮力公式,采用有限元分析软件ANSOFT进行仿真分析,并进行实验验证,仿真、实验结果与分析结果一致。得出的结论对三极磁轴承的设计、安装和控制具有指导性意义。

基于改进SPSO算法优化LS-SVM的六极径向混合磁轴承转子位移自检测技术

为解决磁轴承中采用电涡流传感器或霍尔传感器检测转子位移引起的磁轴承体积大、成本高、可靠性降低等问题,提出一种基于改进的简化粒子群算法优化最小二乘支持向量机位移预测模型的磁轴承转子位移自检测技术。介绍六极径向混合磁轴承的结构和工作原理,并推导其径向悬浮力的数学模型;基于支持向量机回归原理,建立六极径向混合磁轴承的控制线圈电流与转子位移之间的预测模型,并利用改进的简化粒子群算法优化了最小二乘支持向量机的性能参数,实现磁轴承的转子位移自检测。构建六极径向混合磁轴承系统转子位移自检测仿真模型,并进行起浮仿真实验,仿真试验结果证明了该方法的可行性。

基于精确磁路的新型混合型轴向-径向磁悬浮轴承研究

该文基于一种实心同极性轴向-径向磁悬浮轴承结构,其具有磁场分布均匀、轴向空间较小的优点。针对该新型混合型轴向-径向磁悬浮轴承结构紧凑、磁场分布复杂等特点,结合有限元二维仿真结果,建立考虑漏磁的精确磁路模型。根据磁路模型,计算该结构的气隙磁通密度、刚度和承载力,并与有限元仿真进行对比,仿真与计算结果基本一致。实验结果表明转子能够在较高转速下实现稳定悬浮,验证了该结构的可行性。

轴向放置轴向磁化的双环永磁轴承径向磁力研究

为了解决轴向放置轴向磁化的双环永磁轴承缺乏径向磁力解析数学模型等问题,在分析双磁环气隙磁导的基础上,结合稀土永磁材料特性和磁通连续原理,用虚位移法得出轴向放置轴向磁化的双环永磁轴承径向磁力解析数学模型。模型表明:该型永磁轴承径向磁力与磁环剩磁感应强度的平方成正比;径向磁力近似与磁环的平均直径成正比;磁环径向磁力随磁环径向宽度、轴向长度及磁路总磁导的增大而增大,随磁环相对磁导率及轴向间隙的增大而减小。模型计算值和试验值基本吻合。

径向磁化的双筒永磁轴承轴向磁力研究

为了解决径向磁化的双筒永磁轴承轴向磁力数值计算复杂及缺乏计算轴向磁力的工程化解析模型等问题,该文在分析磁筒气隙磁导的基础上,结合磁通连续性原理和稀土永磁材料特性,通过电磁场理论中的虚位移法得到了该型轴承工程化轴向磁力解析数学模型。模型表明:该型轴承轴向磁力与磁筒剩磁的平方成正比;轴向磁力随磁筒间隙半径、轴向长度及磁路总磁导的增大而增大,随磁筒间隙的增大而减小。在轴承正常轴向工作范围内,该模型计算值与实验值相当吻合。

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。

径向磁化的多环嵌套永磁轴承轴向磁力解析模型

为了解决径向磁化双环永磁轴承轴向磁力偏小的问题,设计了径向磁化多环嵌套永磁轴承新结构。基于磁路及虚功原理法,结合径向磁化多环嵌套永磁轴承结构特点及线性叠加原理,建立了径向磁化多环嵌套永磁轴承轴向磁力解析模型。模型表明:径向磁化多环嵌套永磁轴承轴向磁力与磁环剩磁平方成正比,磁力随磁环间隙的增大而减小,随磁环数的增大而增大;在正常轴向工作范围内,轴向磁力随轴承轴向偏移的增大而增大。模型计算结果与有限元计算结果基本吻合。对比计算说明:径向磁化多环嵌套永磁轴承轴向磁力远大于由原多嵌套磁环所构成的若干双环永磁轴承轴向磁力之和。

基于磁通量计算的混合型轴向–径向磁悬浮轴承参数设计

混合型轴向–径向磁悬浮轴承集轴向磁悬浮轴承与径向磁悬浮轴承于一体,应用于磁悬浮系统可降低系统功耗,减小体积与重量,但其结构及内部磁场分布复杂,参数设计的难度较大。该文提出一种基于磁通量计算的参数设计方法,计算出要达到设计承载力所需的偏置磁场与控制磁场的磁通量,建立起软磁材料内部磁场磁通密度与软磁材料结构参数之间的函数关系,从而计算出软磁材料的结构参数值,使其内部磁场磁通密度不超过其磁化曲线线性区间。利用有限元仿真验证了该设计方法的合理性与正确性。给出了转速为20000r/min时转轴的轴向与径向位移及磁悬浮轴承控制电流的波形。实验结果表明,基于所提方法设计出的混合型轴向–径向磁悬浮轴承具有良好的悬浮特性。

一种磁悬浮开关磁阻电机用轴向径向磁轴承

为了克服现有永磁偏置轴向径向磁轴承的缺陷,研究了一种新型结构的磁悬浮开关磁阻电机用永磁偏置轴向径向磁轴承.分析其结构及工作原理,利用等效磁路法进行分析,得出了轴向悬浮力及径向悬浮力的数学模型,并对数学模型进行了线性化处理,得出了其轴向、径向位移刚度和电流刚度.给出了磁极面积、控制线圈安匝数、定转子结构等主要参数的设计方法,给出了样机参数,用有限元对样机进行了三维仿真分析.理论研究和仿真分析表明:该永磁偏置轴向径向磁轴承结构紧凑,轴向控制磁通和径向控制磁通彼此解耦,控制更加容易,适用于高速、低功耗等场合.

考虑径向偏移的轴向永磁轴承力学特性分析

两环轴向永磁轴承在工作状态下两环旋转轴线会发生径向偏移,基于分子电流法建立考虑径向偏移的轴向永磁轴承的磁力解析模型,推导出含有四重积分的解析计算式,采用一种近似的数学算法蒙特卡洛法(又称M-C法)求解四重积分,并用实例探讨径向偏移对轴向永磁轴承承载力的影响,结果表明:随偏移量的增加,轴向承载能力降低,径向承载的不稳定性增加;但径向偏移对径向承载能力影响更大,必须采用其他辅助支承使其径向稳定。

新型混合径向磁轴承结构及其磁力特性

针对当前永磁偏置径向磁轴承的永磁磁路的磁通密度低,磁力小,缺乏自稳定的问题,提出一种应用于立式轴流泵的新型混合径向磁轴承结构.应用分子电流法及虚位移定理建立新型混合径向磁轴承承载力的非线性模型及其线性化方程,分析得出新型径向混合磁悬浮轴承在径向某个自由度上具有自稳定的特点,且永磁轴承可以减小系统总的位移负刚度.研究结果表明,采用Halbach阵列结构后,混合磁轴承气隙的磁通密得到很大提高.电流刚度和位移刚度与平衡点的初始电流及初始间隙密切相关,在平衡位置附近电流刚度和位移刚度呈线性变化,当气隙增大时仍保持较好的线性度,而当气隙减小时呈现一定的非线性特性.

新型径向混合磁轴承的解耦设计与分析

电磁悬浮轴承存在的磁路耦合问题,不仅影响磁轴承的刚度,还增大控制难度。为从机械结构上解决电磁轴承的磁路耦合的问题,该文提出一种新的径向混合磁轴承,设计一种6独立磁路4极(2对极)的径向混合磁轴承结构,通过等效磁路法推导出该结构的电磁力解析式,并采用三维有限元法对其磁场分布、电磁力特性及耦合特性进行仿真分析。计算及仿真结果表明:与传统的8极混合磁轴承相比,所提出的6独立磁路4极(2对极)径向混合磁轴承结构,能很好地实现径向方向上的电磁场解耦,为后续控制方法的实现提供理论参考。

飞轮轴向永磁轴承的径向干扰力分析与控制研究

针对飞轮轴向永磁轴承带来的径向干扰力问题,推导了径向干扰力的解析表达式,对干扰力的幅值和方向特性以及它的线性化结果进行了研究。对飞轮运行过程中径向干扰力带来的影响和电磁轴承位移刚度系数变化之间的关系进行了归纳,提出了基于修正参数零力控制算法的电磁轴承控制方法,来抑制飞轮转子系统的干扰力;利用Simulink仿真平台,对包含飞轮转子系统、轴向永磁轴承和电磁轴承零力控制算法的模型进行了测试。研究结果表明:在径向电磁轴承控制算法中采用修正前馈系数的零力控制算法,可以将飞轮转子系统外传力控制在原先的3%,较好地满足了系统干扰力的控制要求。

永磁偏置径向轴向磁轴承的H_∞控制研究

为了改善磁轴承的控制性能,提高磁轴承的稳定性和抗干扰能力,提出了运用H∞控制方法对一种新型永磁偏置径向轴向磁轴承的悬浮进行控制,并运用Matlab软件对整个磁轴承系统进行仿真实验.和传统的PID控制方法相比较,H∞控制方法显示出其优越性.

短转子永磁偏置轴向径向磁轴承耦合特性分析

永磁偏置轴向径向磁轴承能够实现转子的三自由度悬浮,结构紧凑、功耗低,但3个自由度之间易耦合。对一种短转子永磁偏置轴向径向磁轴承进行了研究,它的轴向定子位于径向定子之上,为短转子结构。根据二维仿真结果进行等效磁路分析,对径向控制磁路进行解耦分析,设计径向力为400 N的磁轴承进行三维有限元仿真分。并通过三维网格图对轴向径向悬浮力进行耦合分析。研究结果表明,在平衡位置附近,轴向径向间彼此解耦,悬浮性能优良。

采用有限元法分析径向永磁轴承的力学特性

文章采用有限元法对径向永磁轴承的磁场分布进行了数值模拟分析 ,并就轴承结构参数对轴承特性的影响进行了研究。研究结果表明 ,对于斥力型径向轴承 ,两磁环之间的轴向位移对轴承的承载力与刚度有明显影响 ;对于吸力型轴承 ,两磁环之间的气隙选择至关重要。研究结论为径向永磁轴承的设计、优化与应用提供了科学依据。