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**国家自然科学基金资助项目(编号:51275371);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(编号:2016Ⅲ033)收稿日期:2018年4月1研究背景磁浮轴承是一种高性能无机械接触的支承部件,是利用电磁力将转子稳定悬浮起来,且轴心位置可由控制系统控制的一种新型轴承[1]。
滋浮轴承是集机械学、力学、控制理论、计算机科学等于一体的典型机电一体化产品,与传统轴承相比,具有无接触、无润滑、完全消除磨损等优点。
磁浮轴承与传统轴承相比具有许多优点,但其发热是一个不容忽视的问题。
磁浮轴承的发热损耗主要包括铜损耗和铁损耗两部分[2],发热对磁浮轴承的影响有以下几个方面:①在磁浮轴承产生功耗比较大的一些场合,大量热量可能使定子和转子之间的气隙变小,这就可能会造成定、转子有接触碰撞的危险;②对系统的可靠性产生影响,当介质温度超过系统的许用工作温度时,绝缘材料的使用寿命会大幅缩短,导致系统的可靠性降低;③对系统的动态性能产生影响。
目前,国内外许多学者对磁力轴承的温度场做了分析。
王晓光等[3]研究了结构形式、结构参数、转子转速及不同失效情况下冗余重构方式对六环冗余轴向磁力轴承温升系统的影响。
李新生等[4]对轴向电磁轴承的发热问题做了仿真计算,提出高频电流的幅值是影响电磁轴承发热问题的重要参数。
Meeker 等[5]研究了一种包括磁滞损耗和涡流损耗在内的转子旋转损耗解析解,并对比试验数据,验证了解析解的准确性。
Pollanen 等[6]研究了径向磁力轴承的温度分布。
从研究现状来看,对于仿真时边界条件施加的准确性进行验证的研究在文献中极少出现,笔者就此结合试验进行了研究。
经分析可知,磁浮轴承的损耗会影响系统的性能,限制其应用范围,所以研究分析磁浮轴承的发热问题对于磁浮轴承的应用具有极为重要的意义。
2温度场理论2.1热传递理论热传递是极为普遍的一种能量传递过程,由于温度差的存在,热量会从高温物体向低温物体传递,直至达到温度平衡。
2、磁悬浮轴承机械系统的设计2.1 磁悬浮轴承的结构及材料由于磁力是控制电流和气隙的非线性函数，即在一个自由度上采用一对电磁铁，这样可以使磁力在平衡位置处能转化为控制电流和气隙的线性函数。
由于转子不仅会沿Y 轴上下运动，而且还会沿X轴水平运动，因此，在水平方向上也要设置一对差动电磁铁，如图2所示。
该图是一个实际的径向磁悬浮轴承的结构，称为8极布置的磁悬浮轴承结构。
当转子直径较大时，常采用16极布置结构以减小外径。
电磁悬浮轴承材料应具有磁性好的特点（主要指磁感应强度曲线的曲线范围大，包围的面积小）。
常采用导磁性能优良的软磁材料，一般希望材料具有较高的饱和磁感应强度、较高的相对磁导率和良好的加工性能。
这样可以提高磁悬浮轴承的承载力并减小涡流损耗。
当电磁悬浮轴承支撑高速回转轴时，其转子轴材料还应具有强度高的特点。
电磁悬浮轴承定子的材料通常采用薄硅钢片和铁钴合金等，转子材料常采用电工纯铁、10#钢，也可硅钢片叠合而成。
为了减小涡流损耗，径向磁悬浮轴承往往采用叠片结构。
而推力磁悬浮轴承通常采用整体结构。
图2 径向磁悬浮轴承结构简图2.2磁悬浮轴承系统的结构布置形式图3是本文所研究的主动磁悬浮轴承的总体结构简图。
为了进一步减少涡流损耗，在轴径处，转子也采用叠片结构，叠片材料为软磁材料。
推力盘采用铁磁材料，在旋转时，推力盘各部分都是同极性地进行励磁，涡流损失小，没有必要采用采用叠片结构，通常采用整体结构。
由于磁悬浮轴承系统常用在高速或超高速场合，一般不要驱动环节，而采用装入式电机，即将电机的转子和轴承的转子固定在同一个轴上。
磁悬浮轴承系统还要配备一对滚动轴承作为辅助轴承。
磁悬浮轴承工作时，辅助轴承不与转子接触。
当突然断电或磁悬浮轴承失控时，辅助轴承工作，临时支承高速转子，防止转子与电机和磁悬浮轴承的转子相碰，起安全保护作用。
一般采用深沟球轴承，辅助轴承与转子间的间隙通常为磁悬浮轴承气隙的1/2。
2.3电磁铁的设计关于磁悬浮轴承，规定如下的符号：A---- 磁极的截面面积（m2）D----- 转子的内径（m）d------ 转子的外径（m）δ0----- 气隙，δ0=（D-d）/2b ----- -磁悬浮轴承的轴向长度（m）B0 -----气隙处的磁感应强度[ T（特斯拉）]B S----- 饱和磁感应强度(T)I ------- 绕组的励磁电流(A)，I=I0+ i 。
山东大学硕士学位论文径向磁悬浮轴承的电磁场分析和结构优化设计姓名：陈帝伊申请学位级别：硕士专业：电工理论与新技术指导教师：刘淑琴20080420山东大学硕士学位论文中文摘要磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，使转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，具有无摩擦、无损耗、无污染、低能耗、低噪声以及寿命长等优点，为了使磁悬浮轴承在更多的工业领域得到较好的应用，使其结构简单并且性能优越，研究降低成本，具有重要的现实意义。
本文采用有限元法分析电磁场，然后对径向磁悬浮轴承进行结构优化设计，具体工作包括：首先，本文给出了磁悬浮轴承的麦克斯韦方程组、边界条件以及用有限元法求解径向磁悬浮轴承的一般步骤，为对磁悬浮轴承进行电磁场分析奠定了基础。
用ＡＮＳＯＦＴ公司出品的ＭＡＸＷＥＬＬ软件对径向磁悬浮轴承的转子和定子的结构导致磁路耦合、定子与气隙交界处磁密急剧增加等结构特性进行详尽的有限元分析。
其次，对径向磁悬浮轴承的一般结构设计进行了推导：包括磁性材料的选择、磁悬浮轴承结构的设计、槽型结构的选择、各个结构参数间的关系等，并且对热量损失进行了校验。
第三，根据前述的电磁场分析的结论和径向磁悬浮轴承的一般设计过程，本文提出了两个优化目标：承载力最大和定子外径最小，根据不同的约束条件给出了三个具体的实现算法。
最后，用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ编写了磁悬浮轴承系统设计软件，此软件包括：径向磁悬浮轴承结构设计、轴向磁悬浮轴承结构设计、控制系统设计和损耗分析，并给出了设计的样机和实验效果。
关键词：电磁场分析；磁悬浮轴承；结构优化设计山东大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｃｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇ（ＡＭＢ）ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｐｒｏｄｕｃｔｓａｎｄａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅａｒｉｎｇｗｈｉｃｈｓｕｓｐｅｎｄｓｔｈｅｒｏｔｏｒｉｎａｃｏｎｔａｃｔ－ｆｒｅｅｍａｎｎｅｒ．Ｓｉｎｃｅｉｔｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｔａｃｔ，１１０ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｌｏｗｅｒｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌａｓｔｉｎｇｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｍｏｒｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｉｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｙｇｅｔａｂｅｔｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｗｅｍｕｓｔｍａｋｅｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｒｅｓｉｍｐｌｅａｎｄｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｏｒｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔ，ｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｒｅｕｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｓｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅａｌｉｓｔｉｃｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｏｔｈｅｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ，ｆｒｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｓｔａｒｔｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，ｆｏｒｍａｋｉｎｇｉｔｔｏｂｅｔｔｅｒａｐｐｌｉｅｄｔｏｇｒｉｎｄｅｒ．Ｄｅｔａｉｌｓａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：１．Ｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓ，ｇｉｖｅｎｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｏｆｔｈｅＭａｘｗｅｌｌｅｑｕａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗｉｍｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｆｏｒｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｓｅｔｐｓ．２．ＩｔｍａｋｅｓｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｂｙＭａｘｗｅｌｌｂｙａｎｓｏｔｌｅｍｂｒａｃｅｉｎｇ，ａｎｄｇｅｔｓｓｅｖｅｒａｌｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．３．Ｉｔｄｅｔａｉｌｓｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｄｅｓｉｇｎｓｔｅｐｓｏｆｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｉｔｓｔｈｅｒｍａｌｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍａｎａｌｙｓｉｓ．４．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｒｅｇｏｉｎｇｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｆｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎｄｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｗｏｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ，ａｎｄｇｉｖｅｔｈｒｅｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．５．ＩｔｐｒｅｐａｒｅｓｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｓｏｆｔｗａｒｅｗｉｔｈＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ，ａｎｄｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓ；ＭａｇｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎｇｓ；ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＩＩ原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
2、磁悬浮轴承机械系统旳设计2.1 磁悬浮轴承旳构造及材料由于磁力是控制电流和气隙旳非线性函数，即在一种自由度上采用一对电磁铁，这样可以使磁力在平衡位置处能转化为控制电流和气隙旳线性函数。
由于转子不仅会沿Y 轴上下运动，并且还会沿X轴水平运动，因此，在水平方向上也要设立一对差动电磁铁，如图2所示。
该图是一种实际旳径向磁悬浮轴承旳构造，称为8极布置旳磁悬浮轴承构造。
当转子直径较大时，常采用16极布置构造以减小外径。
电磁悬浮轴承材料应具有磁性好旳特点（重要指磁感应强度曲线旳曲线范畴大，包围旳面积小）。
常采用导磁性能优良旳软磁材料，一般但愿材料具有较高旳饱和磁感应强度、较高旳相对磁导率和良好旳加工性能。
这样可以提高磁悬浮轴承旳承载力并减小涡流损耗。
当电磁悬浮轴承支撑高速回转轴时，其转子轴材料还应具有强度高旳特点。
电磁悬浮轴承定子旳材料一般采用薄硅钢片和铁钴合金等，转子材料常采用电工纯铁、10#钢，也可硅钢片叠合而成。
为了减小涡流损耗，径向磁悬浮轴承往往采用叠片构造。
而推力磁悬浮轴承一般采用整体构造。
图2 径向磁悬浮轴承构造简图2.2磁悬浮轴承系统旳构造布置形式图3是本文所研究旳积极磁悬浮轴承旳总体构造简图。
为了进一步减少涡流损耗，在轴径处，转子也采用叠片构造，叠片材料为软磁材料。
推力盘采用铁磁材料，在旋转时，推力盘各部分都是同极性地进行励磁，涡流损失小，没有必要采用采用叠片构造，一般采用整体构造。
由于磁悬浮轴承系统常用在高速或超高速场合，一般不要驱动环节，而采用装入式电机，即将电机旳转子和轴承旳转子固定在同一种轴上。
磁悬浮轴承系统还要配备一对滚动轴承作为辅助轴承。
磁悬浮轴承工作时，辅助轴承不与转子接触。
当忽然断电或磁悬浮轴承失控时，辅助轴承工作，临时支承高速转子，避免转子与电机和磁悬浮轴承旳转子相碰，起安全保护作用。
一般采用深沟球轴承，辅助轴承与转子间旳间隙一般为磁悬浮轴承气隙旳1/2。
2.3电磁铁旳设计有关磁悬浮轴承，规定如下旳符号：A---- 磁极旳截面面积（m2）D----- 转子旳内径（m）d------ 转子旳外径（m）δ0----- 气隙，δ0=（D-d）/2b ----- -磁悬浮轴承旳轴向长度（m）B0 -----气隙处旳磁感应强度[ T（特斯拉）]B S----- 饱和磁感应强度(T)I ------- 绕组旳励磁电流(A)，I=I0+ i 。
磁悬浮轴承的设计和控制随着科技的不断进步，磁悬浮轴承作为一种新型的轴承技术，逐渐引起了人们的关注。
它的出现不仅提升了机械设备的性能，还改变了传统轴承的运行方式。
本文将探讨磁悬浮轴承的设计原理和控制方法，以及与传统轴承相比的优势。
1. 磁悬浮轴承的设计原理磁悬浮轴承是通过电磁原理实现对轴的支承和稳定。
它由电磁悬浮部分和控制部分组成。
电磁悬浮部分包括固定部分和旋转部分，固定部分由电磁铁和轴承复合体组成，旋转部分则是装载在轴上的磁体。
通过控制电磁悬浮部分的电流，可以调节磁悬浮轴承与轴之间的力的大小和方向。
磁悬浮轴承的设计原理主要包括磁力支撑、磁力定位和磁力恢复三个方面。
磁力支撑是指通过向轴施加一个与重力相等且方向相反的力，使得轴悬浮在空中。
磁力定位则是通过调节支撑力的大小和方向，实现轴在水平方向上的位置控制。
磁力恢复是指通过控制轴与磁体之间的力，使得轴能够在受到外力作用后迅速恢复到平衡位置。
2. 磁悬浮轴承的控制方法磁悬浮轴承的控制方法主要分为闭环控制和开环控制两种。
闭环控制是通过给定轴的位置和速度信号，利用传感器和控制算法计算出合适的电流信号，控制电磁悬浮部分的电流大小和方向，从而实现轴的稳定运行。
开环控制则是通过预先设置电流信号，将其直接送至电磁悬浮部分，忽略轴的位置和速度变化，从而实现对轴的基本控制。
闭环控制是磁悬浮轴承常用的控制方法。
其主要包括位置控制和速度控制两个环节。
位置控制是通过传感器感知轴的位置，并与给定的位置信号进行比较，得出控制误差，然后根据控制算法计算出相应的电流信号。
速度控制是在位置控制的基础上，增加了速度传感器，通过对速度信号进行反馈和控制，实现对轴的更精确控制。
3. 磁悬浮轴承与传统轴承的比较与传统轴承相比，磁悬浮轴承具有许多优势。
首先，磁悬浮轴承没有机械接触，消除了传统轴承由于摩擦和磨损产生的问题，大幅提高了轴承的使用寿命。
其次，磁悬浮轴承具有低摩擦系数和高转速特性，减小了能量损耗和轴向受力，提高了机械设备的效率。
磁悬浮轴承设计方法磁悬浮轴承是一种新型的轴承技术，它采用磁力场来支撑转子，避免了传统机械轴承的摩擦和磨损，具有高速、高精度、低噪音、长寿命等优点，被广泛应用于高速列车、风力发电机、航空航天等领域。
本文将介绍磁悬浮轴承的设计方法。
磁悬浮轴承的设计方法主要包括磁路设计、控制系统设计和机械结构设计三个方面。
首先是磁路设计。
磁路是磁悬浮轴承的核心部分，它决定了轴承的性能和稳定性。
磁路设计的关键是确定磁铁的形状、尺寸和磁场分布。
一般来说，磁铁的形状可以是圆形、方形、长方形等，尺寸则根据转子的大小和重量来确定。
磁场分布是指磁铁产生的磁场在空间中的分布情况，它决定了轴承的支撑力和稳定性。
磁场分布可以通过有限元分析软件进行模拟计算，以得到最优的设计方案。
其次是控制系统设计。
磁悬浮轴承的控制系统是保证轴承稳定运行的关键。
控制系统的设计包括传感器选择、控制算法设计和控制器选型等方面。
传感器可以选择位移传感器、速度传感器、加速度传感器等，以实时监测转子的运动状态。
控制算法设计是指根据传感器反馈的信号，通过控制器对磁场进行调节，以保持转子的稳定运行。
常用的控制算法有PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
控制器的选型则需要考虑控制精度、响应速度、抗干扰能力等因素。
最后是机械结构设计。
机械结构是磁悬浮轴承的支撑结构，它需要满足轴承的载荷要求和稳定性要求。
机械结构设计的关键是确定支撑结构的形状、尺寸和材料。
一般来说，支撑结构的形状可以是圆形、方形、长方形等，尺寸则根据转子的大小和重量来确定。
材料的选择需要考虑强度、刚度、耐磨性等因素。
磁悬浮轴承的设计方法是一个综合性的工程问题，需要涉及磁路设计、控制系统设计和机械结构设计三个方面。
在实际应用中，还需要考虑轴承的安装、调试和维护等问题。
磁悬浮轴承的设计方法的不断改进和完善，将进一步推动其在各个领域的应用和发展。
主动磁悬浮径向轴承结构
主动磁悬浮径向轴承是一种采用磁力来支撑和悬浮旋转机械轴
的装置。
它通常由定子和转子两部分组成。
定子部分包括电磁铁和
控制系统，而转子部分则包括轴承和被支撑的旋转机械轴。
在主动磁悬浮径向轴承中，电磁铁通过施加磁场来产生磁力，
从而支撑和悬浮转子部分。
控制系统负责监测转子的位置和运动状态，并根据需要调整电磁铁的磁场，以保持转子在预期的位置和轨
迹上运动。
这种结构能够有效减少机械轴和轴承之间的摩擦和磨损，从而提高设备的运行效率和可靠性。
主动磁悬浮径向轴承的结构设计通常需要考虑多个因素，包括
电磁铁的布置方式、控制系统的稳定性和精度、以及轴承部分的材
料和制造工艺等。
此外，为了确保设备的安全性和稳定性，还需要
考虑防止磁场泄漏和电磁干扰的措施。
总的来说，主动磁悬浮径向轴承结构是一种复杂而高效的技术
装置，它通过磁力支撑和悬浮转子部分，能够显著改善旋转机械设
备的性能和可靠性。
在实际应用中，需要综合考虑材料、工艺、控
制系统等多个方面的因素，以确保主动磁悬浮径向轴承能够稳定可靠地运行。
