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电磁轴承的结构优化设计.pdf
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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’‘1‘33’.一3
H lz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.
⑧ ⑧ 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 [|]。本文从静态承载力要求出发,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
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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
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 ,相应地有磁通密度变化量AB,从而产生恢复力,使轴颈回到
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