您的位置:山东大学 -> 科技期刊社 -> 《山东大学学报(工学版)》

山东大学学报(工学版) ›› 2018, Vol. 48 ›› Issue (2): 107-113.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.609

• • 上一篇    下一篇

一种轴向电磁轴承的结构优化与有限元分析

田靖,李红伟*,陈瑞,于文涛   

  1. 山东大学电气工程学院, 山东 济南 250061
  • 收稿日期:2017-12-14 出版日期:2018-04-20 发布日期:2017-12-14
  • 通讯作者: 李红伟(1979— ),男,湖北老河口人,讲师,博士,主要研究方向为磁悬浮轴承技术与应用. E-mail:lhw08@sdu.edu.cn E-mail:tianjing_anny@163.com
  • 作者简介:田靖(1993— ),女,河北邢台人,硕士研究生,主要研究方向为磁悬浮轴承技术与应用. E-mail:tianjing_anny@163.com

Structural optimization and finite element analysis of a type of axial AMBs

TIAN Jing, LI Hongwei*, CHEN Rui, YU Wentao   

  1. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 25006l, Shandong, China
  • Received:2017-12-14 Online:2018-04-20 Published:2017-12-14

摘要: 给定转子推力盘直径和转子芯轴直径,设计一种传统结构的轴向电磁轴承。保持定子内孔与转轴之间的径向漏磁气隙不变,采用有限元软件仿真定子线槽结构参数对轴向电磁轴承的磁场分布及承载力的影响,并从磁路理论角度对结果进行误差分析。在承载力最大的线槽结构参数下,只改变芯轴直径,仿真分析径向漏磁气隙对轴向电磁轴承的磁场分布及承载力的影响。研究结果表明:随着定子线槽轴向长度与径向长度比(长宽比)的增加,承载力先增大后减小;当长宽比为5~10时,漏磁不是最小,但承载力较大且基本不受长宽比变化的影响,最大电磁力为理论电磁力的88.7%;随着径向漏磁气隙与轴向气隙比(气隙比)的增加,承载力增加,但增量越来越小,当气隙比为13.3时,仿真电磁力达到理论电磁力的97.0%,当气隙比大于13.3后,承载力随气隙比的增加非常有限。

关键词: 优化设计, 漏磁, 轴向电磁轴承, 承载力, 线槽结构

Abstract: One typical structure of axial active magnetic bearings(AMBs)was designed with the given diameters of the shaft and rotor thrust. The influence of the slot structure dimensions on the magnetic field distribution and the bearing force of axial AMB was simulated by using an electromagnetic finite element software when the radial airgap between the stator inner hole and the shaft was unchanged. And the error analysis was given by constructing a magnetic circuit model of the axial AMB. Given the chosen optimized slot dimensions, the influences of the radial airgap of the stator on the magnetic field distribution and the bearing force were analyzed with different rotor shaft diameters. The results showed that the bearing force increased first and then decreased with the increase of the ratio of the axial length to the radial length of the slot. The radial magnetic flux leakage was not the smallest when the ratio was between 5 and 10 but the bearing force was large and stable, and the biggest force was about 88.7% of the theory. With the increase of the ratio of the radial airgap to the axial suspended airgap(airgap ratio), the bearing force increased, but the increment was getting smaller. When the airgap ratio was 13.3, the simulated bearing force was 97.0% of the theory. When the airgap ratio was more than 13.3, the increment of the bearing force was very limited, so the impact was not significant.

Key words: electromagnetic force, magnetic flux leakage, slot structure, axial active magnetic bearing, optimization design

中图分类号: 

  • TB472
[1] 闫颖鑫,董宏林,段广仁.轴向磁悬浮轴承的结构设计[J]. 轴承,2006(7): 8-10. YAN Yingxin, DONG Honglin, DUAN Guangren. Structure design of axial magnetis suspension bearing[J]. Bearing, 2006(7): 8-10.
[2] 袁崇军,曹杰,杨涌.电磁轴承的结构优化设计[J]. 机械科学与技术, 1995(5):29-36. YUAN Chongjun, CAO Jie, YANG Yong. The optimum design of electromagnetic bearing structure[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 1995(5): 29-36.
[3] 田杰,刘建明,王勇.轴向电磁轴承定子线槽形状对电磁力影响的研究[J]. 机械研究与应用,2007,20(5):42-43. TIAN Jie, LIU Jianming, WANG Yong. Study on the effect that the shape of axial electromagnetism bearing stator trunking on the electromagnetism force[J]. Mechanical Research & Application, 2007, 20(5): 42-43.
[4] 江大川,刘淑琴,虞烈,等.电磁推力支承系统结构参数设计的研究[J]. 西安交通大学学报,1997,31(12):100-105. JIANG Dachuan, LIU Shuqin, YU Lie, et al. Study for designing the constructional parameters of electromagnetic thrust supporting systems[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 1997, 31(12): 100-105.
[5] 王澄泓,汪希平,周朝暾,等.电磁推力轴承磁场的有限元计算及漏磁分析[J]. 机械设计与研究,2004,20(5):52-55. WANG Chenghong, WANG Xiping, ZHOU Zhaotun, et al. FEM caculation of magnetic field and analysis on flux leakage for magnetic thrust bearing[J]. Machine Design and Research, 2004, 20(5): 52-55.
[6] 胡业发, 周祖德, 江征风. 磁力轴承的基础理论与应用[M].北京: 机械工业出版社, 2006.
[7] 蔡敏,朱熀秋.轴向磁轴承参数设计与性能分析[J]. 微电机,2010,43(10):22-25. CAI Min, ZHU Huangqiu. Parameter design and performance analysis for axial magnetic bearing[J]. Micromotors, 2010, 43(10): 22-25.
[8] GERHARD Schweitzer, MASLEN Eric H. Magnetic bearings: theory, design, and application to rotating machinery[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2012.
[9] GERHARD Schweitzer, BLEULER Hannes, ALFONS Traxler. Active magnetic bearing foundation, performance and application[M]. Beijing: New Times Press, 1997.
[10] 杨芳芳,吕建超.推力磁轴承的优化设计与有限元分析[J]. 燃气涡轮试验与研究,2010,23(2):43-45. YANG Fangfang, LYU Jianchao. Optimization design and finite element analysis for thrust magnetic bearings[J]. Gas Turbine Experiment and Research, 2010, 23(2): 43-45.
[11] 汪希平,张直明,于良.轴向磁悬浮轴承的力学特性分析[J]. 应用力学学报,2000,17(3):29-34. WANG Xiping, ZHANG Zhiming, YU Liang. Analysis on dynamic performances of magnetic levitated thrust Bearing[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2000, 17(3): 29-34.
[12] CHIBA A, FUKAO T, ICHIKAWA O, et al. Magnetic bearings and bearingless drives[M]. Tokyo: Newnes, 2005: 65-84.
[13] 龙志强,罗昆,王水泉,等.轴向磁轴承电磁参数的计算[J]. 磁性材料及器件,2000,31(5):10-13. LONG Zhiqiang, LUO Kun, WANG Shuiquan, et al. The calculation of electromagnetic parameters of axial magnetic bearing[J]. Journal of Magnetic Materials and Devices, 2000, 31(5): 10-13.
[14] 文湘隆,胡业发,陈龙.一种轴向磁力轴承定子结构参数的确定方法[J]. 轴承,2005(7):1-3. WEN Xianglong, HU Yefa, CHEN Long. A method to calculate structural parameters for stator of axial active magnetic bearings [J]. Bearing, 2005(7): 1-3.
[15] 赵博, 张洪亮. Ansoft12在工程电磁场中的应用[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2013.
[16] 赵韩,李露,王勇,等.电磁推力轴承结构分析[J]. 机床与液压,2006(5):68-70. ZHAO Han, LI Lu, WANG Yong, et al. Structural analysis of an electromagnetic thrust-bearing[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2006(5): 68-70.
[17] 刘国强, 赵凌志, 蒋继娅. Ansoft工程电磁场有限元分析[M]. 北京:电子工业出版社, 2005.
[18] 王世山,王德林.大型有限元软件ANSYS在电磁领域的使用[J]. 高压电器,2002, 38(2):27-31. WANG Shishan, WANG Delin, LI Yanming. Using software ansys to analyze electromagnetic process[J]. High Voltage Apparatus, 2002, 38(2): 27-31.
[1] 罗靓,晏宇翔,吕辉,张成明. 异形钢管混凝土轴压短柱力学性能[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(3): 103-114.
[2] 郝艳广,徐建升,明道贵,雷霆,邱明喜,陈迪杨. 锚杆加固作用下椭圆形深埋隧洞承载力分析[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(1): 131-140.
[3] 江健宏,舒晓锐,刘志鲲,孙杰,荆树举,张宏博. 废旧轮胎碎片(TDA)复合填料中竖向锚定板承载特性[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(6): 92-99.
[4] 王钰鑫,吕思忠,姚望,林春金,张明,李召峰,张健,王衍升. 粉质黏土地层桩侧劈裂注浆参数设计与效果评价[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(6): 70-81.
[5] 李连祥,李红波,韩刚,郭龙德,赵仕磊. 济南非饱和土基坑支护设计[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(3): 41-49.
[6] 于洋,石南,高磊,赵国浩,张峰. 预应力混凝土空心板梁抗剪承载力分析[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(3): 88-95.
[7] 孙杰,张宏博,程钰,刘羽,张洪波,刘志鲲. 基于TDA填料的废旧轮胎条带加筋砂土边坡承载特性[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(1): 49-59.
[8] 樊禹江,余滨杉,葛俊,黄欢欢,廖凯,丁佳雄,熊二刚. 新型装配式剪力墙摩擦抗剪机理[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(1): 76-82.
[9] 谢印标,罗浩天,厉雅萌,武科,杨涛,李国栋,杨洪娜. 吸力式桶形基础在砂土中循环荷载下的承载力特性[J]. 山东大学学报 (工学版), 2022, 52(4): 151-156.
[10] 刘文杰,杨学英,张波,范志鑫,李成新,杨惠茗,李景龙. 含裂隙无腹筋梁的抗剪承载能力[J]. 山东大学学报 (工学版), 2022, 52(3): 42-50.
[11] 罗浩天,武科,厉雅萌,徐嘉祥,邢志豪. 波浪动荷载作用下吸力式桶形基础水平承载性能[J]. 山东大学学报 (工学版), 2021, 51(5): 100-106.
[12] 徐再根,刘正伟,刘文棚,周梦瑶,刘俊才,田利. 输电塔单双角钢过渡节点计算方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2021, 51(1): 87-93.
[13] 宋修广, 杨鹤, 陈晓燕, 崔文杰, 岳红亚, 张恺, 田隽. 砂土中浅埋竖向锚定板极限承载力[J]. 山东大学学报 (工学版), 2021, 51(1): 24-31.
[14] 陈瑞,李红伟,田靖. 磁极数对径向磁轴承承载力的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(2): 81-85.
[15] 李连祥,李先军. 不同扩径体数量、位置对支盘桩承载力的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2016, 46(5): 88-94.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 刘文亮,朱维红,陈涤,张泓泉. 基于雷达图像的运动目标形态检测及跟踪技术[J]. 山东大学学报(工学版), 2010, 40(3): 31 -36 .
[2] 孔维涛,张庆范,张承慧 . 基于DSP的空间矢量脉宽调制(SVPWM)的实现[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(3): 81 -84 .
[3] 世文学 刘卫东 孙永福. 基于DEM的堰塞湖1/3溃决模拟及人员撤离方案研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(5): 144 -148 .
[4] 周晓林,曾广周 . 一种基于P2P的工作流管理系统设计[J]. 山东大学学报(工学版), 2007, 37(5): 89 -94 .
[5] 马其华 王宜泰. 高密度电阻率法在煤矿界外巨空水探测上的应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(4): 107 -111 .
[6] 李术才,王兆清,李树忱 . 基于无理函数插值的多边形有限元方法[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(2): 66 -70 .
[7] 吴 皓,田国会,黄 彬 . 未知环境探测的多机器人协作策略研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 27 -31 .
[8] 焦吉成,高学东,王元璞,赵传领 . 关系积理论及属性约简算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(2): 112 -116 .
[9] 牛秀明,傅春华 . 炭在脉冲放电过程中对污水中有机物的降解作用[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(1): 121 -126 .
[10] 程云1,2,刘明1,2*, 刘晓伟2. 二层框架填充墙出平面反应分析的试验研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2010, 40(2): 78 -81 .