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磁力轴承电磁场的相关理论和实验研究

2020-11-28阅读(236)

磁力轴承电磁场的相关理论和实验研究

论文摘要

磁力轴承是典型的电磁能和机械能相互转化的装置,其电磁场特征从本质上反映了磁力轴承的整体性能。磁力轴承的磁性材料的非线性磁导率和磁饱和、漏磁、磁耦合、涡流等因素使得磁力轴承电磁场具有很强的空间非线性和动态特征。因此通过理论计算和实验测量相结合的方法研究磁力轴承电磁场的空间分布和变化规律对于提高磁力轴承的整体性能具有重要意义。本文以八极径向磁力轴承为例,针对磁力轴承转子静态悬浮和动态悬浮(旋转)这两种典型运行状态,推导出磁力轴承电磁场的磁势方程,界定了磁力轴承电磁场的边界条件,选用有限元方法求解磁力轴承电磁场边值问题。针对转子静态悬浮状态,建立磁力轴承静态电磁场模型。考虑定子和转子铁磁材料的BH曲线、磁饱和、漏磁、磁耦合等非线性因素,使用三维有限元方法计算磁力轴承静态电磁场的空间分布,结果表明上述非线性因素对磁力轴承的关键性能参数—气隙磁通密度和磁力有显著影响。构建了径向磁力轴承实验装置静态电磁场测量平台,使用三通道高斯计测量了径向磁力轴承实验装置的磁通密度分布,使用磁通密度的实测值对电磁场三维有限元模型进行了修正,修正后的有限元模型达到一定的准确性。针对转子旋转状态,建立磁力轴承旋转电磁场模型。使用二维非线性有限元方法求解了不同线圈电流、转速条件下的磁力轴承旋转电磁场的磁力线分布、气隙磁通密度、悬浮力、拖曳力和功率损耗。结果表明转子材料的磁饱和使气隙磁通密度、拖曳力出现明显饱和,饱和点由线圈电流和转子转速共同决定。为解决磁力轴承气隙磁场的在线测量问题,提出将光纤布喇格光栅(FiberBragg Grating,FBG)应用于气隙磁通密度测量,设计开发了FBG磁场传感装置,验证了FBG传感装置用于气隙磁通密度测量的可行性。构建了磁力轴承FBG气隙磁通密度在线测量系统,实现气隙、转速、线圈电流的调节,模拟磁力轴承的工作状态。在转子静止和旋转两种状态下,使用FBG磁场传感装置测量了不同线圈电流、不同气隙和不同转速条件下的磁力轴承气隙磁通密度,实测结果与有限元计算结果对比分析表明,在转子静止和旋转两种状态下,FBG传感装置对气隙磁通密度的测量均达到了一定的准确性。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 引言
  • 1.1 论文研究背景
  • 1.2 论文的研究目的和意义
  • 1.3 国内外发展概况
  • 1.4 论文的项目支撑与主要工作
  • 第二章 磁力轴承电磁场理论基础
  • 2.1 磁力轴承电磁场方程组
  • 2.2 磁力轴承电磁场的势函数方程
  • 2.2.1 磁力轴承电磁场的磁势偏微分方程
  • 2.2.2 磁力轴承电磁场边界条件和边值问题
  • 2.3 磁力轴承电磁场边值问题求解
  • 2.3.1 求解原理
  • 2.3.2 求解步骤和解后处理
  • 2.4 本章小结
  • 第三章 磁力轴承静态电磁场分析
  • 3.1 磁力轴承三维静态电磁场有限元计算
  • 3.1.1 建立有限元模型
  • 3.1.2 求解
  • 3.1.3 解后处理
  • 3.2 磁力轴承静态电磁场非线性因素分析
  • 3.2.1 非线性磁导率和磁饱和
  • 3.2.2 漏磁
  • 3.2.3 磁耦合
  • 3.3 本章小结
  • 第四章 磁力轴承静态电磁场测量
  • 4.1 径向磁力轴承静态电磁场测量平台
  • 4.1.1 径向磁力轴承实验装置
  • 4.1.2 磁场测量仪器
  • 4.1.3 径向磁力轴承静态电磁场测量平台
  • 4.2 实验方法和步骤
  • 4.3 径向磁力轴承静态电磁场测量结果
  • 4.3.1 实验项目（a）:左磁极对线圈加载直流电流
  • 4.3.2 实验项目（b）:左磁极对和右磁极对线圈加载同向电流
  • 4.3.3 实验项目（c）:左磁极对和右磁极对线圈加载反向电流
  • 4.3.4 实验项目（d）:左磁极对和上磁极对线圈加载反向电流
  • 4.3.5 实验数据误差分析
  • 4.4 实验数据对有限元模型的修正
  • 4.4.1 实验项目（a）实验数据与有限元计算结果比较
  • 4.4.2 实验项目（b）实验数据与有限元计算结果比较
  • 4.4.3 实验项目（c）实验数据与有限元计算结果比较
  • 4.4.4 实验项目（d）实验数据与有限元计算结果比较
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 磁力轴承旋转电磁场分析
  • 5.1 旋转电磁场有限元计算
  • 5.1.1 旋转电磁场的有限元模型
  • 5.1.2 求解
  • 5.1.3 旋转电磁场有限元数值解分析
  • 5.2 旋转电磁场解析解
  • 5.2.1 旋转电磁场解析模型
  • 5.2.2 解析模型求解区域和边界条件
  • 5.2.3 拖曳力和功率损耗解析解
  • 5.3 旋转电磁场有限元解与解析解比较
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 基于光纤光栅的磁力轴承磁场传感机制和测量系统
  • 6.1 光纤布喇格光栅传感原理
  • 6.1.1 光纤布喇格光栅（FBG）
  • 6.1.2 FBG传感机制
  • 6.2 基于FBG的磁力轴承磁场测量原理
  • 6.2.1 FBG磁场传感装置及其安装方式
  • 6.2.2 基于FBG的气隙磁通密度测量原理
  • 6.3 FBG磁场传感装置应变分析
  • 6.4 磁力轴承FBG气隙磁通密度在线测量系统
  • 6.5 本章小结
  • 第七章 基于FBG的磁力轴承气隙磁通密度测量
  • 7.1 实验项目（a）:气隙磁通密度静态测量
  • 7.2 实验项目（b）:不同转速条件下的气隙磁通密度测量
  • 7.3 本章小结
  • 第八章 总结与展望
  • 8.1 全文总结
  • 8.2 展望
  • 参考文献
  • 附件
  • 一、已公开发表的相关学术论文
  • 二、相关学术成果
  • 致谢

    • 相关论文文献

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