New analytical solution for the analysis and design of permanent magnet thrust bearings

On the basis of the current sheet model, a new analytical solution for permanent magnet （PM） bearings is developed. Compared with analytical methods based on the coupling energy model and the magnetic dipole model, the proposed one is more physically intuitive and convenient for engineering designers. According to the analytical model, the thrust characteristics of a novel PM thrust bearing is studied and verified by finite element analysis （FEA）. In the proposed thrust bearing configuration, the rotor is composed of stacked PM tings with alternative axial magnetization directions, and the stator with alternative radial magnetization directions while copper rings are used to separate adjacent PM rings. A prototype PM thrust bearing with the proposed configuration is designed and fabricated. The performances of the PM thrust beating are experimentally validated. It is shown that the calculation accuracy of the presented analytical solution is satisfying.

新型磁流变隔震支座的力学动态性能研究

永磁体可对磁流变隔震支座提供一个初始磁场,设计一种利用永磁体和电磁线圈形成混合磁场功能的新型隔震支座,线圈产生的磁场调节永磁体的磁场以改变磁流变弹性体层的刚度,实现隔震支座的可变刚度性能。利用ANSYS Electronics软件对隔震支座进行仿真分析,模拟出不同电流强度下试验装置内部的磁感应强度、绘制其磁通量密度云图并计算其饱和点。制备羰基铁粉体积分数为23%的磁流变弹性体,研究隔震支座试验过程中励磁电流强度、剪切幅值及激振频率对其剪切性能的影响。结果表明:隔震支座的刚度随控制线圈电流增强而实时降低,实现磁流变弹性体隔震支座的变刚度特性;刚度软化条件下励磁电流强度、剪切幅值及激振频率对磁流变弹性体隔震支座等效刚度及等效阻尼具有显著影响。

船舶轮缘推进器关键技术研究现状和发展趋势

采用电力直驱模式来完成电能与机械能的无传动转化是高端交通动力装备领域的未来战略性技术之一。轮缘推进器(RDT)作为一种高度集成的电力直驱推进,是近年来研究的热点。文章梳理了船舶轮缘推进器的6项关键技术,包括水力部件设计及优化、电机设计及控制、水润滑轴承的设计和性能强化、系统集成与测试、船体匹配及联合控制以及可靠性评估与智能运维;阐述了各项技术的研究现状和趋势,总结了国内外RDT产品和实船应用情况。研究和应用表明,节能、环保、灵活的轮缘推进器是绿色智能船舶电力推进形式的重要选择,高性能轮缘推进器专用化设计、效能提升和状态监测以及智能运维是轮缘推进器未来重要发展趋势。

永磁同步电机故障诊断方法研究综述

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有结构简单、运行稳定、效率高和外形多样等显著优点,在生产制造领域得到广泛应用。PMSM在工作中不断受到速度变化和负载波动等复杂工况的影响,不可避免地会出现各种故障,如轴承故障、偏心故障、退磁故障和匝间短路故障等。文中综述了PMSM常见故障类型,并总结了自动化领域中基于信号的状态监测方法的现有研究,以用于各类电气和机械故障的检测和诊断。随后,对诊断方法进行了总结,并分析了其优势与限制,探讨了不同信号处理方法在应用中的利弊。最后,根据当前研究现状,讨论了PMSM故障监测与诊断存在的问题和未来发展方向。

异步电机永磁悬浮轴承结构设计与动力学计算

为保证异步电机转子在永磁悬浮状态下仅有微摩擦特性,必须保证永磁轴承具有稳定的高势能状态。采用一个机械调心滚子轴承限定其转子轴向位移。基于气隙磁导及等效磁荷法计算出转子所受不平衡磁拉力,并给出永磁轴承定转子气隙、转子偏移、永磁轴承环数划分、气隙位置与径向刚度之间的关系,对上述参数进行优化以获得永磁轴承的最佳径向刚度,使永磁轴承能有效平衡电机转子所受的不平衡磁拉力。通过对转子涡动轨迹及临界转速进行分析,验证了异步电机永磁轴承悬浮结构可实现微摩擦悬浮。

轴向磁力轴承结构综述

按照悬浮力的产生方式将轴向磁力轴承分为主动型、被动型和混合型,主动型的优点是能够产生可控电磁力,被动型的优点是结构简单,混合型兼顾了主动型和被动型的特点。在研究同心单环结构的基础上,分析了具备冗余性的同心多环冗余结构及叠片式冗余结构,从电磁力角度看,整体式同心双环结构优于同心三环结构,叠片式六环结构优于叠片式四环结构和叠片式八环结构。最后,对轴向磁力轴承在结构、控制及工业应用方面的发展前景进行了展望,轴向磁力轴承的结构应当朝着更具备冗余性和重构能力的方向优化。

离心制管机永磁轴承磁力计算与拼接永磁体形状分析

针对传统离心制管机托轮支承结构磨损严重问题,提出了一种半定子环径向永磁轴承替代托轮的离心制管机永磁悬浮支承系统方案,根据等效磁荷法建立悬浮力数学模型,采用蒙特卡洛法近似求解,简化了悬浮力计算的数学推导和演算,并与有限元仿真比较,给出了误差修正系数,修正后蒙特卡洛法与有限元仿真结果基本一致,满足了工程应用的需要。将转子永磁体分别设计为扇形、梯形和矩形,通过仿真分别得出永磁轴承的悬浮力及扭矩,结果表明扇形永磁体各方面性能均优异,梯形永磁体次之。

高速飞轮与电机耦合动力学模型研究

基于替代映射方法分别建立主动磁轴承和永磁同步电机的非线性模型,并与飞轮转子动力学模块、PID控制器等组件结合,构造高速飞轮转子与电机耦合的非线性动力学系统模型。仿真结果表明,替代映射方法计算得到的永磁同步电机齿槽转矩数值与有限元模型结果之间误差较小,具有良好的精度,可正确描述其基频到多次倍频的振动特性。永磁同步电机转子偏心作用力随着转子振幅的增大而增强,会显著削弱主动磁轴承对飞轮转子的控制能力。基于前人“双弹簧”模型,结合永磁同步电机替代映射模型,建立包含主动磁轴承和永磁同步电机的“三弹簧”模型。仿真计算结果表明,永磁同步电机转子偏心作用力改变了飞轮转子的第二临界转速的频率和振幅,作用力较大和位置偏置会造成第二临界转速附近的运动失稳。

新型模块化永磁偏置磁轴承结构设计与磁场分析

针对永磁偏置磁轴承设计困难和加工繁琐的问题,设计了一种新型模块化永磁偏置磁轴承,通过等效磁路法对其进行磁路分析,采用ANSYS Maxwell对该磁轴承的气隙磁通密度及电流刚度进行仿真模拟,验证结构设计的合理性;同时,引入模块化设计思想,通过多个磁轴承模块的不同组合方式(并行组合使支承力叠加或以夹角方式组合构成合力)以满足对不同位移方式和多种支承力工况下的稳定磁悬浮支承。结果表明,当模块化永磁偏置磁轴承控制绕组中的电流达到最大值3 A时,单个模块支承力达到最大值(约500 N),可满足实际应用需求。

磁悬浮永磁发电机用被动磁轴承磁力及刚度特性研究

磁悬浮高速永磁发电机是超低温余热发电装置的核心部件,其轴系结构及参数关乎发电机的性能。以被动永磁轴承为研究对象,简单介绍了余热发电机轴系和被动磁轴承的结构形式、被动磁轴承悬浮原理,建立了被动永磁轴承的磁力计算模型以及刚度计算模型,通过正交实验获取该被动磁轴承的全局最优设计参数,即全局最优的磁极径向厚度d为7.5 mm,磁极对节距λ为15 mm,间隙中心半径R为100 mm,轴向长度L为150 mm,径向间隙g为3 mm,径向刚度K为3000 N/mm。上述轴系结构及参数应用于某余热发电系统,实际运行结果表明,故障停机率降低了52.94%,转子额定工况下位移幅值减少0.09 mm,被动磁轴承温度降低了10℃。

高速内置式永磁电动机转子系统的模态特性

针对含多组件的高速内置式永磁同步电动机转子结构等效弹性模量准确获取难度大,忽略轴承支承阻尼引起的模态分析误差大的问题,提出一种基于悬臂梁模型的等效弹性模量解析法,采用复数里卡蒂传递矩阵法建立考虑支承阻尼的转子系统动力学模型,分析了轴承支承特性和等效弹性模量对模态特性的影响,并进行了仿真和试验验证。结果表明:增加轴承刚度将增大转子系统的刚性临界转速并降低系统稳定裕度,增加轴承阻尼将减小刚性临界转速并增大系统稳定性;当转子系统阻尼比增加到0.4左右时,锥动刚性模态消失;等效弹性模量主要影响转子系统的弯曲模态,而对刚性模态几乎无影响。

车用驱动电机轴电压产生传导和抑制方法研究

【目的】针对车用驱动电机长时间运转后,由于轴电压导致的电机轴承电蚀问题,分析驱动电机轴电压的产生机理以及提出相应的抑制方法,以提高车用驱动电机设计的可靠性。【方法】通过使用Matlab建立永磁同步电机的控制模型,建立轴承油膜击穿的模型,结合电磁仿真软件计算电机的寄生电容,分析轴电压与控制器母线电压、开关频率、共模电压、扭矩等的关系。【结果】验证了轴电压的频率和控制器的开关频率相同,轴电压和控制器的共模电压在波形上存在镜像关系,幅值约是共模电压幅值的3%,轴电压与电机扭矩变化的关联度较低。【结论】使用该模型可以方便地研究电机各工况下的轴电压情况,依据提出的抑制方法,可在电驱动系统开发初期,采取相应措施降低轴电压及相关危害。

半直驱中速永磁同步发电机轴承发生微电流腐蚀的故障诊断分析

轴承滚道形貌出现“搓衣板”纹路的故障模式是风电机组常见的主要故障之一。针对半直驱中速永磁同步发电机轴承发生微电流腐蚀故障,首先通过在线监测系统采集发电机轴承运行时的振动信号,然后对振动信号故障特征进行提取与诊断分析,研究和复现轴承滚道微电流腐蚀的失效模式和故障发展历程,最后同步验证抑制轴电流的措施的有效性,以此保障风电机组健康可靠地运行。分析表明:该故障风电机组的发电机轴承滚道出现的“搓衣板”纹路并非轴承的主要失效模式,而是轴承滚道发生二次损伤的表现。随着时间推移,轴承滚道出现的损伤(浅坑)纹路逐渐重复叠加并变得更加清晰,说明该发电机的主要失效模式为轴承微电流腐蚀。

外转子永磁电机装配工艺探讨

针对外转子永磁电机(含EC、DC外转子永磁同步电机、直流无刷电机)装配过程磁力干扰问题和电机运转时轴承蠕变问题,本文分析了轴向磁拉力和单边磁拉力的作用,从实践角度提出了轴与轴承过盈配合的两类设计结构形态和相应装配工装及量产实现的工艺方法,对提高外转子永磁电机装配可靠性提供有益的思路。

永磁偏置径向-轴向磁悬浮轴承工作原理和参数设计

介绍了永磁偏置径向-轴向磁悬浮轴承结构示意图及悬浮力产生的机理,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,最后给出了一个设计例子,并用有限元进行了仿真验算。理论研究和仿真分析表明:永磁和励磁径向-轴向磁轴承结构合理紧凑、占据轴向长度小、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。

永磁磁轴承数学模型的研究

对永磁磁轴承的5种建模方法及所建立的数学模型进行了比较,并以径向磁轴承为例进行了计算。发现在形状、尺寸和磁化强度相同的情况下,磁环轴向磁化与径向磁化所得的径向刚度及轴向力均存在差异;将环形磁体作为无限长条形磁体处理,忽略磁环曲率影响,建立的通用模型仅适用于磁环直径相比磁环截面而言非常大,且磁环截面尺寸比气隙小或相等的情况:采用等效磁荷法,按磁化方向不同建立的数值积分模型,能够较好地描述磁轴承径向力及轴向力随动、静磁环相对位置变化而变化的特性。

轴流式人工心脏泵混合磁悬浮系统的耦合特性

植入式人工心脏泵要求体积小、质量轻、功耗低,为了满足这些要求,需要研究磁悬浮人工心脏泵的轴承特性。为此,对径向永磁轴承自身的耦合特性进行了理论分析与仿真,据此提出了心脏泵转子的磁悬浮支承方案,该方案采用两个径向永磁轴承和一个轴向电磁轴承来实现转子的五自由度稳定悬浮。根据径向永磁轴承的磁场分布特性,提出了采用两个关于转子轴线对称布置的霍尔传感器,从转子径向方向检测转子轴向位移的方法,理论分析揭示了转子径向位移和轴向位移在检测结果中的耦合关系,并给出了解耦方法,得出了轴向位移。基于研究成果设计了轴流式磁悬浮人工心脏泵原型机,并成功实现了转子的五自由度稳定悬浮。

永磁偏置磁轴承的研究现状及其发展

永磁偏置磁轴承是飞轮储能和涡轮分子泵等高速应用领域的一个重要研究内容。本文对永磁偏置磁轴承的研究现状及其未来发展进行了详细阐述。将永磁偏置磁轴承分为轴向单自由度、径向两自由度、轴向-径向三自由度及五自由度磁悬浮系统分别进行研究,研究其结构形式,绘制结构示意图,结合磁路图分析其工作原理,比较同类磁轴承优劣,指出其应用场合。对永磁偏置磁轴承的未来发展进行了研究,提出了众多结构形式的永磁偏置磁轴承,功耗低、结构简单、控制方便的永磁偏置磁轴承将是未来研究的主要方向。

一种新型结构的永磁偏置径向磁轴承

提出了一种新型永磁偏置径向磁轴承结构,通过第二气隙形成电磁磁路,与现有Heteropolar结构的磁轴承相比,定子磁极个数由8个减少为4个,可使转子高速旋转时的涡流损耗降低3倍,利用等效磁路法以及有限元法对该永磁偏置径向磁轴承进行分析,得出了最大承载力、电流刚度以及位移刚度的数学表达式,给出了主要参数的设计与计算方法。理论研究和仿真分析表明,所提出的新型径向磁轴承结构通过合理设计第二气隙的大小,可使永磁体产生的位移刚度减小,特别适用于磁悬浮反作用飞轮,以减小对飞轮的扰动,同时减小了飞轮的最大起动力矩,大大提高了飞轮的控制精度,在无轴承电动机、其他飞轮系统等场合具有广阔的应用前景。

片状无轴承磁电机的研究

研究了一种新型的片状无轴承永磁电机的工作原理和结构设计,只须控制转子的两个径向自由度,就能够实现磁悬浮并驱动电机旋转;当电机极对数≥3时,径向磁悬浮力与电机转矩互不耦合,可以独立设计磁悬浮轴承与电机的控制系统;提出了新的、工艺性好的绕线方法,只需在单个磁极上绕线,不需要跨磁极绕线;研制了电气控制系统,包括双向电流型开关功率放大器、PID控制器等;设计、制造了内转子式的片状无轴承永磁电机样机;试验研究表明,研究的片状无轴承永磁电机成功地实现了磁悬浮,最高转速达到了3300r/min,转子振幅<20μm。