磁轴承转子的力学设计

高精度球面洛伦兹力磁轴承设计与分析傅百恒;王卫杰;王元钦;樊亚洪;聂辰;贾海鹏【期刊名称】《北京航空航天大学学报》【年(卷),期】2022(48)11【摘要】针对柱面洛伦兹力磁轴承(LFMB)偏角有限导致磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)力矩输出持续时间短和气隙磁密均匀度低影响控制敏感精度的突出问题,提出了一种高精度球面LFMB设计与分析方法。

所设计的LFMB转子球面导磁套和定子球面绕组均与双球面陀螺转子同球心,气隙呈球壳状,保证转子偏转时定子绕组两侧气隙宽度不变,相较于柱面LFMB,转子可偏转角度由±0.6°扩大到±2°。

利用等效磁路法推导了柱面与球面LFMB气隙磁密的数学解析模型,并基于ANSYS命令流构建了柱面与球面LFMB的有限元仿真模型。

仿真结果表明:在转子可偏转范围内,沿偏转中心线,球面LFMB最大磁密较柱面下降了34.1%;当转子不偏转时,球面LFMB绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了11.6%;当转子偏转时,球面LFMB 绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了17.7%。

所提方法为磁悬浮控制敏感陀螺控制与敏感性能的提升奠定了基础。

【总页数】8页(P2222-2229)【作者】傅百恒;王卫杰;王元钦;樊亚洪;聂辰;贾海鹏【作者单位】航天工程大学研究生院;航天工程大学宇航科学与技术系;北京控制工程研究所;中国人民解放军63961部队【正文语种】中文【中图分类】V221.3;TB553【相关文献】1.基于洛伦兹力的无轴承电机优化与特性分析2.一种组合磁钢叠加磁场洛伦兹力磁轴承设计方法3.磁悬浮陀螺飞轮用隐式洛伦兹力磁轴承4.磁单极与磁洛伦兹力5.高精度敏捷机动磁悬浮陀螺飞轮用新型隐式洛伦兹磁轴承(英文)因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

磁力轴承一工作原理传感器俭测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号．然后功率放大器特这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力从而使转子维持其悬浮位置不变。

实质过程是不断调节转子位置的过程，提高传感器的精度及功放的反应能力。

二分类、特点及其应用1 分类⑴无源（被动）磁力轴承是利用位置变化来直接改变激磁电路本身的参数使其达到稳定悬浮的；个人认为这里的无源就是不加以人为的控制，这种轴承也主要指的是用永磁体来实现转子的悬浮的，它是靠产生的斥力（吸力无法实现稳定悬浮）来改变气隙大小（S越小，f越大），从而来改变其他一些磁路参数（H、B等）来改变磁力大小，实现转子“稳定”悬浮。

⑵有源（主动）磁力轴承是指由位移传感器检测出转子偏离位置，伺服控制系统根据其位置信号来迅速改变磁场力，使物体始终保持在一定的位置范围内，以达到稳定的悬浮。

很显然要实现精确的控制，传感器精度一定要高，并且整个控制系统作出的响应也要快，不然转子就要碰到定子了，重要一点是单靠检测位移或位移反馈来控制电磁力是不太准确的，因为我们转子必然存在圆度误差，还有定子的几何误差等等，有时检测出的位移偏差很可能是由于转子的圆度误差引起的，而不需要改变控制电流的大小；有时可能由于圆度误差补偿了转子的位移偏差，而需要对控制电流加以调整。

对于这个问题，我认为：由于各种误差信号的影响，以及控制系统的响应的快慢有一定的限制，我们不可能对检测到的所有位移偏差信号来施以对应的控制，而且我们也没有必要对转子的偏差进行完全的实时控制，这样做也许会导致控制系统变得不稳定，可以这样设想，假设气隙允许最小间隙为S当 ＜S时，我们开始控制它。

⑶复合磁力轴承（永磁体+电磁铁）永磁体产生磁力来平衡转子重力，电磁铁产生的电磁力来平衡外载。

2 特点⑴无机械接触的特点（省）⑵控制特点a. 可对转子位置进行控制，即使转子不在轴承中心也能支承主轴，转子可在径向和轴向自由移动。

Engineering Master Degree Dissertation ofChongqing UniversityThe Control and Analize of MagneticSuspension SystemMaster Degree Candidate: Du Tian XuSupervisor: Prof. Chai YiPluralistic Supervisor: Senior Engineer Xiao Xin Zhong Specialty: Control EngineeringCollege of AutomationChongqing UniversityOctober 2007摘要磁悬浮轴承是一种没有任何机械接触的新型高性能轴承，它从根本上改变了传统的支承形式。

磁轴承在工业控制、超高速、精密加工、航空航天、机器人、能源、交通等高科技领域都有广泛的应用背景。

它具有回转精度高、功耗低、刚度高、寿命长等一系列独特的优点，因此近年来对其研究颇为重视。

磁悬浮轴承技术涉及多个领域，多项技术的交织，研究和开发利用的难度较大，对其研究力度正在进一步加强。

经过30 多年的发展，磁悬浮轴承在国外的应用场合进一步扩大，从应用角度看，在高速旋转和相关高精度的应用场合磁悬浮轴承具有极大的优势并已逐渐成为应用研究的主流。

磁轴承实验系统包括单入单出系统辨识、多入多出系统辨识、经典控制器设计、线性反馈系统、非线性控制综合、多变量控制综合以及自适应控制设计。

本文介绍了电磁轴承的现状及发展趋势，阐述了电磁轴承工作的基本原理和当前的一些控制方法。

在认为水平方向与竖直方向解耦的情况下，利用状态空间法对磁轴承实验系统的数学模型进行分析。

考虑到机理建模时忽略了转子的柔性，传感器、电流放大器以及悬浮力的非线性，所得到的模型是不完全的，利用了系统辨识的办法来研究系统模型。

由于转子的柔性、作用于转子上的电磁力关于位移和控制电流的非线性引起了转子谐振，本文对最大谐振进行了简单的滤波处理。

磁力轴承简介磁力轴承是磁悬浮原理应用在机械工程领域中的一项新的支承技术，其区别于传统的支承方式，具有无摩擦、无磨损、无润滑、运动阻力小、转速高、精度高、功耗低以及寿命长等优点，随着有关研究的不断发展，已有的电磁轴承种类很多，按工作原理可分为三类：主动磁轴承、被动磁轴承、混合磁轴承。

对于磁力轴承的研究，国外早在 18 世纪 40 年代就开展了理论分析，并在 19 世纪中、后期逐步应用于工业领域，随着轴承的性能在不断提高，某些电磁轴承类产品已相当成熟；国内的相关研究虽然一直在升温，但整体上来说依然处于理论研究阶段，离工业应用仍有较大的差距。

总体来说，磁力轴承有很好的应用前景，这项技术的研究与应用标志着支承技术的全新革命。

一．磁力轴承的工作原理和基本结构在工业应用中，由于主动磁轴承明显的优于被动磁轴承，所以在此以主动磁轴承为例进行探讨。

主动磁轴承一般被称为电磁轴承，其集机械学、力学、控制工程、电磁学、电子学和计算机学于一体，其是靠主动电子控制系统，由可控电磁力使转子非接触地“支承”着轴承体，通常由转子、定子（电磁铁）、放大器、位置传感器、控制器和辅助轴承等部分组成（如图1.1）。

转子是系统的控制对象，转子和电磁铁要求有良好的磁性和机械性能；控制器是电磁轴承系统的核心，决定电磁轴承的好坏；放大器向电磁铁提供产生电磁力所需的控制电流；位置传感器用来检测转子的偏转量；辅助轴承的功能是在电磁轴承出现故障时支承转子或在轴承过载时承受部分载荷承，避免转子与定子的任何直接接触，防止擦伤。

图 1.1 电磁轴承基本结构电磁轴承的机械部分一般是由轴向轴承和径向轴承组成（如图 1.2）。

轴向轴承由定子和推力盘组成；径向轴承由定子和转子组成。

(a) (b)图 1.2 (a)径向轴承横截面结构示意图 (b)轴向轴承结构示意图一个转子要实现完全的悬浮，需要在其五个自由度上施加控制力，即需要两个径向轴承和一个轴向轴承。

一个完整的电磁轴承系统通常包括 2 个径向轴承和 1 个轴向轴承及其控制系统；每个径向轴承有 2 个自由度，每个轴向轴承有 1 个自由度，这样一个电磁轴承共有 5 个自由度。

电磁轴承结构设计及控制策略的研究电磁轴承作为现代制造业中的一种先进技术，在高速旋转机械领域拥有广泛的应用。

其具有无接触、低噪音、低摩擦、精度高等优点，能够承受高速旋转和大载荷，因此被广泛应用于高速转子、航空航天、半导体生产、磁浮列车等领域。

本文将分析电磁轴承的结构设计及控制策略。

1. 结构设计电磁轴承的结构主要包括定子、转子、控制电路和感应电机。

定子一般是由永磁体或电磁绕组组成，而转子则由磁铁或导体制成。

控制电路通常为PID控制器或模糊控制器，能够根据转子位置和速度等参数，实现对电磁轴承的控制。

感应电机则用于提供动力源，使转子逐渐旋转。

在电磁轴承的设计中，需要注意以下几点：磁路是电磁轴承的重要组成部分，其结构设计 directly 关系到推力和稳定性。

一般来说，磁路结构应当充分考虑磁阻力和稳态推力的影响，使得磁路长度短，磁阻力小，从而提高推力和稳定性。

1.2 控制电路设计控制电路可以通过调节电流大小和相位差，实现对电磁轴承的控制。

为保证控制精度，通常需要借助传感器等设备，精确获取转子位置和速度信息，从而实现对电磁轴承的控制。

转子是电磁轴承的核心部分，其设计 directly 决定着电磁力的大小和稳定性。

通常情况下，转子形状应当尽可能简单，以提高磁场均匀度和稳定性；同时，还需要保证转子结构的强度和刚度，以满足高速旋转的要求。

2. 控制策略在电磁轴承的控制过程中，需要根据转子位置、速度等参数，进行有效的控制策略。

常见的控制策略包括PID控制和模糊控制等。

PID控制是一种经典的控制方法，通过调节比例、积分和微分系数的大小，实现对电磁轴承的控制。

其中，比例、积分和微分系数均能够对控制效果产生直接影响。

在实际应用中，需要根据电磁轴承的实际情况，对PID控制器进行调整和优化。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，在电磁轴承控制领域也有广泛的应用。

相比于PID控制，它具有适应性强、鲁棒性好等优点。

其核心思想是将输入量和输出量进行模糊化处理，然后进行规则推理和输出控制。

磁悬浮轴承3分（内容丰富）编辑词条摘要磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。

其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。

与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。

磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。

这项技术并没有得到欧美国家的认可。

编辑摘要目录-[ 隐藏 ]1.1概述2.2工作原理编辑本段|回到顶部概述利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久, 但实现起来并不容易。

早在1842 年, Ea rn show 就证明: 单靠永久磁体是不能将一个铁磁体在所有 6 个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的.然而, 真正意义上的磁悬浮研究是从本世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究开始的。

1937 年, Kenp er 申请了第一个磁悬浮技术专利, 他认为要使铁磁体实现稳定的磁悬浮, 必须根据物体的悬浮状态不断的调节磁场力的大小, 即采用可控电磁铁才能实现,这一思想成为以后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。

伴随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展, 本世纪 60 年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。

英国、日本、德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。

磁悬浮轴承的研究是磁悬浮技术发展并向应用方向转化的一个重要实例。

据有关资料记载: 1969 年, 法国军部科研实验室(L RBA ) 开始对磁悬浮轴承的研究; 1972 年,将第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上, 从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。

小型风力发电机用永磁悬浮轴承的设计与应用小型风力发电机用永磁悬浮轴承的设计与应用近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的重要性逐渐凸显，风力发电作为一种绿色、清洁、可再生的能源形式，得到了广泛关注和推广。

然而，在小型风力发电机中，传统的机械轴承往往存在使用寿命短、摩擦、磨损严重等问题，这严重制约了小型风力发电机的效率和可靠性。

为了解决这一问题，永磁悬浮轴承应运而生。

永磁悬浮轴承是一种利用磁力排斥和吸引原理实现轴与轴承之间接触无摩擦的轴承技术。

它利用磁场产生的力来支撑转子，实现了转子轴与轴承之间的非接触式支撑，从而解决了传统机械轴承存在的摩擦、磨损和寿命短的问题。

同时，永磁悬浮轴承具有高转速、低振动、低噪音和高可靠性的优点，使其成为小型风力发电机的理想选择。

在小型风力发电机中，采用永磁悬浮轴承的设计方案需要考虑以下几个方面的问题。

首先是永磁轴承的结构设计。

永磁悬浮轴承由永磁体和铁芯组成，永磁体负责产生磁场，铁芯则负责控制磁力的方向和大小。

设计者需要根据转子的质量和转速等参数来选择合适的永磁体和铁芯，以实现对转子的稳定支撑。

其次是控制系统的设计。

永磁悬浮轴承需要通过控制系统感知转子位置和速度，并根据转子的状态对磁场进行调节，从而保证转子的稳定运行。

控制系统的设计需要考虑到转子的动态特性和外界环境的干扰等因素，以实现对转子的精确控制。

最后是安全性和可靠性的考虑。

永磁悬浮轴承在设计时需要考虑到抗故障和安全保护措施，以避免发生意外事故和对设备造成不可修复的损坏。

小型风力发电机中应用永磁悬浮轴承可以带来很多好处。

首先，永磁悬浮轴承的无接触式支撑减少了摩擦和磨损，从而提高了小型风力发电机的效率和使用寿命。

其次，永磁悬浮轴承的高转速特性使得小型风力发电机可以在更高的转速下运行，从而提高了其发电能力。

同时，永磁悬浮轴承的低振动和低噪音特性减少了对周围环境和人类身体的干扰，提高了使用的舒适性。

另外，永磁悬浮轴承的可靠性高，不易发生故障，减少了维护和维修的成本和时间。

磁力轴承电磁场的相关理论和实验研究的开题报告磁力轴承是一种利用电磁场力来支撑旋转机械的轴承。

相比传统的机械轴承，磁力轴承具有摩擦小、振动小、使用寿命长等优点，在高速旋转机械、超高速飞行器等领域得到广泛应用。

因此，对磁力轴承的电磁场理论和实验研究具有重要意义。

本文旨在探讨磁力轴承电磁场的相关理论和实验研究，并提出可行的研究计划。

一、磁力轴承电磁场理论研究1. 磁场分析磁力轴承的运转原理是利用电磁铁产生的磁场与旋转体上的永磁体磁场相互作用产生力矩，从而支撑旋转体旋转。

因此，首先需要分析电磁铁产生的磁场空间分布和磁场强度随时间演化的变化规律。

2. 电磁场模拟为了更好地理解电磁现象以及预测磁力轴承在不同工作状态下的性能，需要对磁力轴承的电磁场进行模拟。

目前常用的方法有有限元法、有限差分法和边界元法等，需在计算机编程环境下实现。

3. 磁力轴承动力学模型在了解了磁场分析和电磁场模拟后，还需要建立磁力轴承的动力学模型，研究磁场力产生的力矩大小和方向，进而分析磁力轴承运行的稳定性和振动特性。

其中，需要考虑转子的惯量、刚度和阻尼等参数。

二、磁力轴承电磁场实验研究1. 磁场强度测试实验中需要进行电磁铁产生的磁场强度测试，以验证理论研究中的磁场分析和电磁场模拟是否准确。

常用的测试方法有磁通法和霍尔传感器法等。

2. 磁力轴承负载性能测试为了研究磁力轴承的承载能力，需要进行不同转速下的负载测试、轴向负载和径向负载测试等。

可采用负载仿真器和力传感器等设备进行测试。

3. 磨损和寿命测试为了研究磁力轴承的寿命，需进行磨损测试，检测磁力轴承的磨损状况及其对性能的影响，进而推导寿命模型，并预测磁力轴承的使用寿命。

三、研究计划1. 研究内容（1）磁场分析和电磁场模拟（2）磁力轴承动力学模型的建立和分析（3）磁场强度测试，磁力轴承负载性能测试和磨损寿命测试等实验研究2. 工作计划（1）完成前期调研和文献综述，制定研究计划（2）对磁场分析和电磁场模拟进行计算和分析，建立磁力轴承动力学模型（3）进行实验研究，包括磁场强度测试、磁力轴承负载性能测试和磨损寿命测试等（4）分析实验数据，验证和修正磁力轴承动力学模型及理论分析（5）撰写开题报告和中期报告，及时总结和梳理实验研究进展（6）完成论文撰写，各项工作在两年内完成。