（机械制造及其自动化专业论文）磁悬浮转子部件温度场的分析与计算.pdf

武汉理 j人r 坝i j 学俯论文 一一一一 摘要 f l 轴承作h 支承转动零件的部件z f ：现代机器中广泛应用，具有 分重要的作 h j ，传统的轴承虽然具有各自的优点，“l 又有不i r 避免的缺点，使它们的使用 范幽受到一定的限制。磁力轴承技术i 1 于具有系列独特性能，被称为支承技 术的一场革命。随着计算机技术、自动控制技术、微电子技术的飞速发展，其 应用越来越广泛。然而，目前在磁力轴承的研究中存在一个突出的问题，即磁 悬浮部件高速旋转时，转子会出现严重的温升现象，这对转子精度及长时间l f 常运转都会产生影响，本文主要是针对这一问题展丌磁悬浮转子温度场的研 究。j 本文主要介绍了磁悬浮转子部件的工作原理、特点、应用及发展状况，阐 述丁分析磁悬浮转子温度场的原因和意义，对磁悬浮转子的温度场进行 了理论分析计算与实验研究。运用理论计算与实验测量寻求磁悬浮转子温 度场的边界条件，采用有限元法对转子温度场的分布进行了计算和分析，针对 转子温度场的分布，提出了改善磁悬浮转子温升的具体方法。 长期以来温度场的数值计算方法非常复杂，应用比较困难，本文提出了一 条方便、准确、快捷的温度场分析方法。文中主要对磁悬浮高速磨削主轴和单 自由度硬盘实验台架的转子温度场进行了仞步的分析，为磁悬浮技术的早f = f 产 品化打下理论基础。 关键词：磁悬浮转手、磁力轴承、温度场、有睦元 武汉理 1 人：j硕 l 7 何硷文 一一 a b s t r a c t u s i n ga s t h es u p p o r t i n gp a r t ，b e a r i n gi sv e r yi m p o r t a n ta n dw i d e l yu s e di n m o d e r um a c h i n e s a l t h o u g ht h et r a d i t i o n a lb e a r i n g sh a v et h e i rs t r o n g p o i n t ，t h e y h a v es o m eu n a v o i d a b l ed e f e c t sw h i c hl i m i tt h e i ru s i n gf i e l d s a c t i v em a g n e t i c b e a r i n g s ( a m b ) h a v es u c h al o t o l a d v a n t a g e s t h a ti ti sc a l l e dat e c h n o l o g y r e v o l u t i o ni nt h e b e a r i n g s w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f m e c h a n i c s ，c o m p u t e r ， a u t o m a t i o nc o n t r o la n dm i c r o e l e c t r o n i c s ，a m ba r ew i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r i e s h o w e v e rt h e r ei sa no b s t a c l et ot h ed e v e l o p m e n to fa m bn o w t h er o t o rr i s e s t e m p e r a t u r er a p i d l y a n ds e v e r i t y d u r i n gh i g hs p e e dr e v o l v i n gw h i c hh a sg r e a t i n f l u e n c eo nr o t o r sp r e c i s i o na n dd u r a t i o nt h er e s e a r c ho ft h i st h e s i si sb a s e do n s o l v i n gr o t o r st e m p e r a t u r ep r o b l e m t h i st h e s i si n t r o d u c e sm a g n e t i cs u s p e n s i o nr o t o rp a r t s c h a r a c t e r i s t i c s ，w o r k i n g p r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o n a n dd e v e l o p m e n ts t a t u s ，a l s o e x p o u n d st h e r e a s o n sa n d i m p o r t a n c eo fa n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r e f i e l d s b y t h e o r e t i ca n d e x p e r i m e n t a lc a l c u l a t i n gm e t h o d ，t h er o t o rp a r t s t h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o nc a n b ee d u c e d i n p u tt h i st h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o nt oa n s y s s o f t w a r e ，t e m p e r a t u r e f i e l d so f m a g n e t i cs u s p e n s i o n r o t o r p a r t sc a nb ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d f o ral o n gt i m e ，a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d sb y u s i n gn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o di s v e r yd i f f i c u l ta n dc o m p l e x i t y t h i st h e s i sb r i n g sf o r w a r da n e wm e t h o df o ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d sw h i c hi s m o r e e f f i c i e n c y a n de x p e d i t e ，i ta l s o a n a l y s e s t h e t e m p e r a t u r e f i e l d so fa m bg r i n d s p i n d l er o t o ra n do n e d e g r e e o ff r e e d o ma m bh a r dd i s kt e s t b e d k e yw o r d s ：m a g n e t i cs u s p e n s i o nr o t o r , a m b ，t e m p e r a t u r ef i e l d s ，f e m i i 武汉理f ：人学顺f 一学付论文 第1 章绪论 1 1 日i j 吾 轴承是现代机器中广泛应用的部件之，它主要是用来支承转动零件 的。传统的轴承根据摩擦性质的刁i 同，可分为滑动轴承和滚动轴承两大类。 ( i ) 滑动轴承滑动轴承是依靠两个桐对运动表面问形成一定的压力油膜求 支承转子的，可分为流体动压润滑轴承( 简称动压轴承) 和流体静压涧滑轴 承( 简称静压轴承) 1 1 j 。 动压轴承是依靠两元件间的滑动表面作相对运动时把油带入两表面之 蚓，形成具有足够压力的收敛楔形油膜。动压轴承在低速、重载、起动、停 车及换向等条件下，都不能保证液体摩擦的润滑状态。此外，动压轴承中轴 的位置将随载荷及转速的改变而移动，亦即轴承的刚性差，这对于那些要求 轴心位置稳定的精密机床主轴来说是不利的。为了同时保证低速和高速运动 时的运转性能，动压轴承是不能满足要求的，这便促进了静压轴承的发展和 应用。 静压轴承是依靠外界供给一定的压力油而形成的承载油膜，使轴颈和轴 承相对转动时处于完全液体摩擦状态，摩擦系数很小，因此起动力矩小，效 率高。但是静压轴承最大的缺点是必须有套复杂的供给压力油系统，在重 要场合还必须加一套备用设备，故设备费用高，维护、管理也较麻烦。当轴 颈转速极高时，用液体润滑剂的轴承摩擦损失很大，过大的摩擦损失将降低 机器的效率，引起轴承过热吼 气体润滑轴承改用气体润滑剂，极大地降低了摩擦损失，用气体做润滑 剂，如空气、氢气、氮气等，具有耐辐射性及对机器不会产生污染等优点， 因而在高速，要求摩擦很小、高温、低温以及有放射线存在的场合，气体润 滑轴承显示出了它的特殊功用。但在气体润滑轴承中，轴承的阳j 隙很小，因 而要求提高轴承及轴颈的加工精度，降低其表面粗糙度。另外，由于气体润 滑剂的粘度低，因而其承载能力和刚度也低，它的实际平均承载能力约为 1 0 n c m 2 。要加大承载能力需要的5 f 属设备要比液体润滑静压轴承的供油设 备要求更高，因此，气体润滑轴承的使用也受到一定的限制。 人j 硕十学何沦文 ( 2 ) 滚动轴承滚动轴承是依紫t 嘤冗件m 的滚动接触求支承转动零件的， j 滑动轴承棚比，滚动轴承具有+ 摩擦m ，j 小、j j 率消耗少、起动容易等优点。 但滚动轴承在滚动体或内外圈滚道上的点蚀破坏下会造成失效，这是山r 火 量重复地承受变化的接触应力而产, j - f f j 。轴承点蚀破坏后，通常在运转时会 出现比较强烈的振动、噪声和发热现象，_ 咩且在高速和高温下对滚动轴承的 制造精度、结构设计、材料的1 咔f 拒- 、涧滑油的选择及洁净度都有很高的要求。 综上所述，滑动轴承和滚动轴承即具有各自的优点，又都有许多不可避免的 缺点，使它们的使用范围受到了定的限制。 随着科技的高速发展，特别是航天航空等重要领域都对轴承的性能提出 了更高的要求，而人类对磁力轴承技术的研究成功丌创了支承技术的新天 地，它标志着对传统支承技术的革命。 ( 3 ) 磁力轴承磁力轴承是利用磁场力将转轴无机械摩擦、无润滑地悬浮 在空间，并且轴心位置可以由控制系统进行控制的一种新型的轴承，足集机 械学、力学，控制工程、电磁学、电二_ 二学和计算机科学等于一体的最具有代 表性的机电一体化产品，是目前唯一投入实用的可以实现主动控制的支承装 置。它克服了传统轴承的缺点，具有无接触、无磨损、无需润滑、运行无噪 音、寿命长、工作温度范围大，高速性能优等其它轴承无法比拟的优点。磁 力轴承作为一种新型轴承，从应用功能上也拓宽了许多，它不仅起着一般的 支承作用，而且在机器中可以作为一种柔性诊断和监测设备，轴承力及转子 振幅的变化都能从磁力轴承控制设备中监测到。 由于磁力轴承的一系列优良特性，它已逐步推广应用到各工业部门，在 航空领域、涡轮机械、真空技术以及机床领域具有广泛的应用前景口l 【。 1 2 磁力轴承的发展与应用 磁悬浮的概念早在一百多年前就提出来了，但磁悬浮技术却是近几十年 的事。长久以来，人们一直梦想利用磁力使物体处于无接触的悬浮状念，但 实现起来却并不容易。早在1 8 4 2 年物理学家s e a h l s h a w 2 1 就丌始研究被动 磁力轴承和悬浮系统，当时所用的电流是不变的，不能调节外力，系统是不 稳定的。为了使铁磁体实现稳定的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状忿不断地 调节磁场力的大小，即采用可控电磁铁。这一设想由肯珀( k e m p e r ) 1 3 在1 9 3 7 年申请第一个磁悬浮技术的专利，并构成_ 厂之后丌展的磁悬浮列车和电磁轴 ，丘硎究的宅导思想。 稳定磁悬浮技术的实现是x , j - f # 统支承技术的革命，它作为一利t 新的支承 形式，其优良的性能和广阔的应用前景引起了众多学者和工程技术人员的浓 厚兴趣。伴随着现代控制理论和电子技术的e 跃发展，国际f = 从本肚纪6 0 年代起，英国、同本和德国都相继j 1 腱厂对磁悬浮列车的研究。在航天方面， 法固于1 9 7 2 年成功地研制出世界上第一套完整的电磁悬浮系统，并用于通 i n 卫星导向飞轮的支承上。美国r1 9 8 3 年1 1 月搭载于航天e 机l 的欧洲 空间实验舱里采用了磁力轴承真空泵。1 1 本于1 9 8 6 年6 月用h l 火箭进行 的磁悬浮飞轮空间实验也获得了满意的效果。在民用方面，1 9 7 6 年法国的 s e p 公司和瑞典的s k f 公司联合成j z 了s 2 m 公司1 6 1 】，专门丌发工业应用的 磁力轴承。1 9 8 3 年s 2 m 公司在第五届欧洲机床展览会上展示了磁力轴承主 轴部件。1 9 8 4 年s 2 m 公司与 本精，i 一电于工业公司联合成立了同本磁力轴 承公司，在同本生产销售涡轮分子泵和机床磁力轴承主轴等。同年h 本n t n 东洋公司也推出了高速磁力轴承铣削头，同本还将磁力轴承列为8 0 年代新 的加工技术之一。 在学术研究方面，从1 9 8 8 年起 会议，交流研讨该领域的最新成果 国际上每两年举行一次国际磁力轴承 美国也从1 9 9 1 年起，每隔一年召开 一次国际磁力轴承技术会议【6 ”，九十年代初在瑞士成立了国际磁力轴承研究 中心。从已发表的文献资料可以看出，其研究内容涉及电磁学、电子学、控 制理论、机械学、转子动力学、材料学和计算机等学科，而工业应用方面， 国外不仅将磁力轴承应用于宇航部门、核工业部门，而且已迅速应用到军事 部门和基础工业部门的数百种不同的旋转或往复式运动机械上，诸如：高速 磨床、铣床、离心机、透平压缩机、高速电机、斯特林制冷机、航天器姿态 控制装置、陀螺仪、搬运系统飞轮蓄能装置以及对一些机械系统实施振动 主动控制等的仪器。所达到的技术指标范围为：转速：o 8 1 0s r m i n 、直 径e l 1 4 6 0 0 m m 、单个轴承承载力：o 3 5 1 0 4 n 、使用温度范围：一2 5 3 4 5 0 0 c 、刚度：1 05 1 0 8 v “埘i 。 到1 9 9 4 年9 月第四届磁力轴承国际会议召开时，磁力轴承在国外已作 为比较成熟的工业产品推向用户日】场。存心内，磁力轴承的研究始卜6 0 ，十 1 ，山于发达圜家的技术封锁以及我刚化此领域起步相列较晚，使得我剧百j 磁力轴承的研究与应用方面比吲外先进 划家落后二1 一多年。从7 0 年代木以 水，许多高校及科研院所以自ij 发等方式在磁力轴承研究方面投入人力、 物力进行深入研究，致力于投入 稃戎嗣。由f 种种原因，目前我国的磁力 轴承存i 业应用方面尚有y f ：多实际问题c 亟待解决，有关磁力轴承设计力面的 技术参数指标和标准尚未制定。就日日f 发展状态而言，它本身也远没达到替 代其它轴承的水平，原因除了磁材料的性能及磁力轴承系统的控制方面尚有 许多课题亟待研究和解决之外，还有设计理论尚未成熟，造价昂贵等原因。 目前许多高校和科研单位，如西安交通火学、哈尔滨工业大学、清华大学、 西安理工大学、武汉理工大学等几十家科研院所均在磁力轴承方面进行深入 研究，已取得了一些成绩。为了同世界先进水平接轨，使这一先进科学技术 为生产建设服务，必须将磁力轴承这项高新技术迅速转化为生产力。 1 3 磁力轴承研究的发展趋势 目前，国际上对磁力轴承的研究已向纵深和广度方向发展，主要有以下 几个发展趋势垆】： ( 1 ) 永磁偏置的混合磁力轴承 铁磁材料的特性对磁轴承性能产生很大影响，如材料的饱合磁密度和磁 滞特性限制，铁磁材料的涡损，磁轴承的转速受压片铁磁材料离心力的限制 等。永磁材料的飞速发展及研制成功无疑将使磁力轴承突破这些限制，如s m - c o ，钕铁硼等永磁材料的优良性能使永磁铁提供偏置力的混合磁力轴承 成为未来磁轴承发展的趋势，以永久磁铁代替电磁铁提供偏置磁场将会有效 地铖小磁轴承的体积、功耗，而大大提高承载力，但由于混合磁力轴承在磁 路殴汁、控制系统设计、磁路的相互祸合等方面还有许多难点需要解决。 ( 2 ) 超导磁力轴承 超导材料的优良性能应用于磁力轴承方面一个突出优点是利用超导材 料可直接实现稳定悬浮，而无需施加主动控制，近年来氧化物超导体的发现 对超导磁力轴承的研究起到重要推动作用。但目前为止，尚未有实用的高温 超导材料，超导磁力轴承在工作时仍需要充液态氮来降温，在承载能力和剐 度性能方面尚待提高。但可以预汁，l 超导材料的研究有了突破性进展， 必将给磁力轴承技术带来新的革命。 ( 3 ) 磁力轴承系统的数字控制 数字控带0 具有硬件集成度商， 吲小牛能蚶的优点，凶此n ：逐步替代传统 的模拟控制器而成为当代磁力轴承发展 流。f j 前应用最普遍的是数字信号 处理器( d s p ) ，将高速运算能力l j 微机操作系统结合在一起，运算速度远高 f i 普通计算机，数字控制运用于磁力轴承适应f 不同的运行条件，能抑制不 、p 衡响应，实现启动和停机时的过程拧制以及滤波、诊断和监控等 作。 ( 4 ) 面向柔性转子的磁力轴承控制策略及参数设计 以j - 2 ：的转子动力学模型大多采用简单的刚性转子，而在高速工况下大多 数转子均无法视为刚性转子，而只能是柔性转子，而柔性转子与刚性转子在 磁力轴承和转子系统的设计方面有原则性的区别，柔性转子系统要复杂得 多。在高速工况下影响系统性能的一个重要因素是因模态截断而产生溢出现 象，柔性转子的磁力轴承的控制方法及设计是目前相关国际学术界研究的热 点。l e e 和k i m 建立了柔性主轴系统的解析模型及最优控制方法来抑制转子 系统的振动【j ”，n o n a m i 等人采用。控制律来降低柔性转子磁力轴承系统的 振动【l “，都取得了很好的效果。 ( 5 ) 基于有限元的磁力轴承参数优化设计 以往分析磁力轴承系统时许多参数的估算大多采用线性化模型，并忽略 了一些非线性因素的影响。而采用基于有限元的磁力轴承结构参数优化设计 能将许多非线性因素加以考虑，分析问题更全面，更精确 1 0 】，因此进行的优 化设计还可以结合更新、更好的优化方法，使磁力轴承参数设计的数值分析 更准确，并可减少出错的可能性，实现系统优化中的跟踪处理及可视化。 ( 6 ) 无传感器磁力轴承的研究 为测量气隙变化，磁力轴承系统需要配备多个非接触式传感器及相应的 自u 置放大器，因而系统的硬件成本高。为克服以上缺点，近年来许多学者f 致力于研究种新型的“无传感器”磁力轴承，它不需要传感器，而是通过 测量电气回路的内部信号来间接地获取转子的位置信息，这表明磁力轴承的 研究正向着纵深方向发展。 武汉理 1 人、j帧十学何论文 1 4 本文研究的目的及内容 磁力轴承作为一项高新技术存荇 、北部i j 及航空领域具有重要的作用 和“泛的应用前景，其优越性是普通轴承无法比拟的，因此设计出既f j 良好 i 作性能，又有较高的经济指标的磁j 轴乐0 有重要的实际意义。 磁力轴承的应用涉及到机械、乜j 、计算机、控制和传感器等多学科技 术的交义，足典型的精密机电一体化，“品。n 因为如此，在磁悬浮主轴的设 计过程中，除了要考虑机械结构、电磁场等诸多因素外，工作过程中所处出 现的转子发热问题也是不可忽视的问题。热量传递是在温差作用下出现的能 量转移现象，磁悬浮主轴高速旋转上作时需要消耗能量，这必然会出现温差 的现象，因此热量的传递随时随地都会发，e ，这种现象会对磁悬浮主轴产生 什么样的影响，热流量的大小以及温度场的分布情况，这些都是设计人员应 该了解和考虑的问题。 国内外传统的温度场分析一般应用于内燃机、空调制冷系统、蜗轮、热 交换器、管道系统以及电子元器件的设计过程中。目前随着高精密机电产品 的发展，如微型机械、纳米机械等，热流量与温度场分柿状况在这些产品的 ，r 发过程中已广泛地进行深入地研究。国内磁悬浮技术的研究起步较晚，在 我国目前还没有应用的实例，从整体上说还只是处于理论研究阶段，迄今为 止，国内尚无一套成熟的理论和设计方法，因此磁悬浮技术更深一步的理论 研究，如电磁场、温度场分析更是很少有人问津。 武汉理工大学机电学院很早就在磁力轴承方面投入人力、物力进行了许 多研究，重点致力于投入工程实用。在中等功率的磁悬浮转子领域已经处于 国内领先水平，在与江汉钻头股份有限公司联合研究开发的磁力轴承磨削电 主轴产品项目中取得可喜的成绩和进步。高速磨削电主轴已在前期通过专家 的评审和武汉市晨光计划项目鉴定，磁悬浮转子径向支承刚度不低于 6 0 0 n g m ，轴向不低于1 0 0 0 0 n , a m ，最高转遽达到9 0 0 0 r m i n 。 为了尽快地实现磁力轴承磨削电主轴的产品化，目前仍然面临着一些亟 待解决的问题，如磁悬浮转子的转速和精度的提高，以及转子在工作过程中 出现的温升发热问题。提高磁悬浮转子的转速和精度主要从结构和传感器及 控制方面着手解决，而就目前在实验过程中出现的实际问题来看，磁悬浮转 j ：的温升问题越来越成为制约其控制精度、高转速、长时间i f 常工作的瓶颁， 哦待去研究分析、解决这一问题。本课题的研究目的就是为了适应这一要求 l n 】腱j i ：l i d 。为了找到行之有效的钾决力法，首先必须对磁悬浮转子在i 作状 态下的温度场进行深入地了解，i 有找到转子温升的根本原因j 能采取最有 效的方法来改进和解决这一问题。论文的内容安排如下： ( 1 ) 绪论综述磁力轴承的发展及应用，提i l l 本论文的内容及研究意义； ( 2 ) 磁悬浮转子工作基本原理主要介绍磁悬浮转子工作基本原理以及 磁悬浮高速磨削主轴，磁懋浮高速碗盘实验台架工作原理、结构殴 计方法： ( 3 ) 磁悬浮转子部件温度场的理论分析与计算介绍温度场的基本理论 及计算方法，提出分析磁悬浮转子温度场所采用的方法有限元 法，并理论计算转子温度场的边界条件； ( 4 ) 磁悬浮转子部件温度场的实验分析介绍转子部件温度场的实验分 析的方法步骤及测试结果； ( 5 ) 磁悬浮转子部件温度场的有限元分析应用有限元分析软件a n s y s 的温度场分析模块对磁悬浮转子部件进行有限元模拟分析； ( 6 ) 改善磁悬浮转子温升的实施方法主要是根据前面的分析结果提出 解决或改善问题的具体实施方法； ( 7 ) 结束语 1 5 本文课题支撑 本文课题得到以下项目的支撑： ( 1 ) 江汉钻头股份有限公司“磁力轴承磨削电主轴产品的研究与丌发”， 2 0 0 0 2 0 0 2 年； ( 2 ) 国家自然科学基金资助项目“高速磁悬浮硬盘支承技术的研究”( 项 目编号5 0 1 7 5 0 8 4 ) ： ( 3 ) 国家重大基础研究项目i “期号项“磁悬浮硬盘光盘转子机电耦合动 力学的研究”，2 0 0 1 2 0 0 4 ； ( 4 ) 武汉市青年晨光计划项目“数控磁力轴承主轴单元的研究”， 19 9 8 2 0 0 2 。 第2 章磁悬浮转子工作基本原理 2 1 磁悬浮高速磨削主轴工作原理 磁悬浮高速磨削主轴是采用磁，j 轴，r 酱代1 统的滚动或滑动轴承柬实现 高速无摩擦旋转功能的主轴，磁力轴承n ：i ：业实际中应用最为广泛的是+ 动磁 参 转子 感器 图21 主动磁力轴承的工作原理图 力轴承。首先我们简单地介绍一下主动磁力轴承，它的工作原理如图2l 所示： 经控制器、功率放大器的电流在电磁铁处产生吸引力，使转子处于特定位置。 转子运行过程中，当受到外界干扰偏离特定位置时，位移传感器将此偏移信号 反馈到控制端，控制端调整控制电流的大小束改变电磁铁吸引力的大小，使转 子恢复到原来位置i 、。 随着科学技术的发展，磁力轴承技术无论是在结构设计还是控制系统的设 计方面都取得了很大的进步。但是，无论磁力轴承采取什么样的结构以及什么 样的控制规律，归根结底还是要通过改变电磁铁产生的电磁力来改变转子的位 置，因此，有必要介绍一下电磁场和电磁力的工作原理。 2 1 1 电流产生磁场 磁场可以由运动电荷( 电流) 、交变电场以及永久磁铁( 分子环流和电子 自旋) 产生。在通有恒定电流i 的直导体周围会产生旋转对称的磁场，磁场强 度h 与导体的距离r 成反比，其方向与绕导体的同心圆相切，磁场强度山电流 密度决定，与介质无关，其环路积分或者为定值，或者为零，取决于所取的积 分路径是否包围导体俐。如图22 ( a ) 所示： h d s = i 如积分路径包围多个电流回路 到由闭合积分路径所包围的电流为 ( 2 1 ) 如图2 2 ( b ) 所示空心线圈的情况，则得 4 ；i d a = n i ( 2 - 2 ) 公式( 2 2 ) 称作安培环路定律。磁场强度和磁感应强度( 即磁通密度) b 两者的关系为： b = 风a t ，h ( 2 3 ) 式中风= 4 a x 1 0v s a m ，代表真_ 中的磁场常数，i t ，为相对磁导率， 由磁场作用的介质决定，在真空中t ，= 1 ，空气中近似为1 。 一 ( a ) 产生磁场的导体 图22 2 1 2 磁路 在分析磁路时，对磁场作精确的理 论计算非常困难。通常在简化假设的基 础上采用近似的分析方法，即假设除气 隙外，磁通全部流过铁芯( 无漏磁) 。由 于铁的磁导率与空气相比要大得多， 磁力线离丌磁铁时几乎是垂直的，当交 变磁场的波长比磁场的几何尺寸大得多 时，恒定场或交变场都可以采用静态场 ( b ) 空心线圈 图2 3 磁路 2 s 爿m 所用的计算方法。随着计算机技术和软件技术的发展，可以利用计算机对磁场 进行分析。 为了计算磁通密度b ，作如下假设：磁通全部通过铁芯横截面积为a 。的 磁路，且在整个a m 均相等，磁路截面积a 。等于气隙横截面积a ，。由公式： 中= b m a m = b f a ，( 2 4 ) 手a = a ，j 得b 。= 日= b ( 2 5 1 ( 2 - 6 ) 上面的公式假设磁路中的磁场在铁占和气隙中都是均匀分布的，计算时以 磁路平均长度l 。和气隙长度2 _ 为批础。 2 i 3 铁芯磁导率恒定时的磁通密度 列图2 3 中的磁路，有 h d s = f m h m + 2 s h t = n i ( 2 7 ) 式中h 为磁场强度，n i 为磁动势，它“迫使”磁通流过磁路，把式( 2 - 3 ) 、 ( 2 - 6 ) 代入( 2 - 7 ) ，得： ，。旦+ 2 s 旦：月i ( 2 - 8 ) o ，x o 则肛l 耐j 由于， 1 ，则b z t 。罢( 2 9 ) 2 1 4 磁力 与作用在磁场中的导体上的洛伦磁力不同，磁铁的吸引力产生在具有不同 爿 f = 爿f 2 磁铁的力( 1 ，) 径向轴承的几何图 图：4 磁力 磁导率z f 的界面上，这些力的计算以磁场能肇：为基础。 假设存储庄气隙中的能量为 j ，如图2 4 ( a ) 所示，当磁路中的磁场均 二j 分布时，存贮能量彬服从： w i = 妥b | h ? v i = ；b ? h | a i 2 x ( 2 1 0 ) 作片j 往铁磁体( ， 1 ) 卜的，川 气隙中场能的变化产生，是铁磁体位 胃的函数。对于小位移d s ，磁通b ，一，保持不变，当气隙s 增加d s 时，体积 ? = 2 s a ，也增加，而磁场能量彬增加td w ，此能量需要由机械能提供，也就 是况必须克服吸引力。这样，力厂等于场能肜对气隙的偏导数( 虚位移原理) 。 厂：_ d w , ：b , i t , v ：塑( 2 - 1 1 ) a s o 在闭合系统中，力，可由虚位移原理导出。对于电磁铁( 图2 4 ) ，电能通 过线圈端子引入系统以建立磁场，为使等式( 2 1 1 ) 保持有效，微分只能在假 定线圈和电源之间不再有电能交换，亦即磁通密度b 保持恒定时j 能进行，为 导出作为线圈电流和函数的吸力厂，可在微分后将b ( f ，s ) 代入该式。 在不考虑铁芯的最简单情况下，由式( 2 9 ) 和( 2 1 1 ) 得 厂确纵2 = ；t o n2 a i 等 ( 2 - 1 2 ) 则吸引力与电流的平方成j 下比，与气隙的平方成反比。 如果要考虑具有恒定磁导率，的铁芯，式( 2 1 2 ) 可变为： 产4 c 万l o 刚+ 2 s j ( 2 _ ，) 与图2 3 所示的u 型磁铁不同，在实际径向磁力轴承磁铁中，如图2 4 ( b ) 所示，两个磁极的力以央角口形式作用于转子。考虑此夹角，则 厂2 去。月2 爿。了l - c o s 口( 2 - 1 4 ) 考虑具有恒定磁导率从的铁芯，式( 2 1 4 ) 可变为 h “南卜“ b s ， 2 2 磁悬浮高速磨削主轴的结构设计方法 图2 5 磁悬浮高速磨削主轴总装配工 根据前述的计算公式及参考国外密削主轴的结构，我们设计的磁悬浮高速 磨削主轴总装配工程图如图2 5 所示：磁力轴承主轴部件主要 臼前径向轴承定 子，后径向轴承定子，止推轴承定子，转子，径向轴承标准环，径向、轴向位 移传感器，辅助轴承和装入式驱动式电机 等部分组成。 2 2 1 主轴各零件的结构及特点 ( 1 ) 自f 、后径向磁力轴承 径向磁力轴承结构如图2 6 所示，它 由定子和转子组成。径向磁力轴承根据使 用场合可以采用两种形式：内转子型和外 转子型，我们采用的结构是内转子型，即 转子在内，定子在外形式。转子和定子出 优质硅钢片叠加组成，这样可以有效地减 少涡流损耗，因用途而异，转子使用厚度 图26 径向磁力轴承横截面示意图 为o 0 5 03 5 m m 含硅3 的无方向忭的l l 磁硅 俐片组成，转子的圆周速度最高可达2 0 0 m s ， 定f 使用厚度为o3 5 m m 的3 的娃钢j l 细 成。径向磁力轴承定子做成感应电机的样式， 在具有多个齿和槽的铁芯上，为了实现j ：下、 a 右的吸引，卷上四组线圈，以别称结构出现， 图27 所示为加工装配完毕后的径向轴承定子 的实物照片。 t 2 ) 径向轴承的基准环 由于径向轴承转子的位置是由控制系统 根据径向位移传感器送来的信号进行调整 的，所以径向轴承的旋转精度( 也即主轴的 旋转精度) 主要由传感器所对应的径向轴承 基准环的精度来决定。通过这种方法可以使 传感器受定子和转子本身的制造精度的影响 较小。正因如此，对基准环的精度制造肯较 高的要求，主要是其外圆与转子的同轴度及圆 度，另外基准环的材料与位移传感器要求的材 料相适应。 ( 3 ) 轴向磁力轴承 轴向磁力轴承的结构如图2 8 所示。磁悬浮 高速磨削主轴采用双面作用式，即采用两个定 子同时产生电磁力，使转子推力盘承受两个不 同方向的力。这种结构采用了一个共同的电椒 盘，因而结构紧凑，图2 9 为加工装配完毕后的 轴向磁力轴承定子的照片。 ( 4 ) 位移传感器 图2 7 径向磁力轴承 囟： 干 一菌f l i nf f i 1 ) s 一：国1 i 区 n z 图2 8 轴向磁力轴承示意 图2 9 轴向磁力轴承定子 为了使轴心线保持在预定的位置上，要求在非接触状态下检测出轴的位 置，要求位置传感器在0 1 m m 范围内( 因轴承定子和转子的间隙通常在此范 围内) ，具有灵敏度高、线性度好、噪声小、反应速度快和安装精度高等特点， 学位论文 且价格便宜。从理论上分析，只要是非接触位移传感器均可使用，如电容式或 光也式传感器、激光干涉仅、差动变压器或电位仪等。但要同时满足上述要求 很难，只有l 乜涡流式位移传感器能较好地满足这些要求，所以磁悬浮高速磨削 二 ：轴采用的是电涡流位移传感器，它的仃效位移量程在o 3 13 m m 之间。 ( 5 ) 辅助轴承 磁力轴承的上轴部件一般都要配备辅助轴承，主要是为了起到安全保护作 片j 。工作时，辅助轴承与主轴不接触，当突然断电或悬浮失控时，它能托住高 速旋转的上轴，防止其与电动机定予、磁j 轴承定子相碰撞。当主轴不工作时， 辅助轴承起到支承主轴的作用。f f 常情况f ，辅助轴承不工作。为了简化结构， 磁悬浮高速磨削主轴采用的是两个径向和个止推轴承，辅助轴承与主轴的径 向和轴向问隙为单边o 2 r a m ，比磁力轴承和电机定子与转子的间隙小。 2 2 2 磁悬浮转子结构设计的方法 ( 1 ) 轴径d 和径向磁力轴承磁场宽度l 的确定 普通轴承的主轴轴径由刚度和结构要求而定，但其值受到轴承d h 值和结 构的限制，而磁力轴承的口值远远大了：普通轴承，只受转子叠层钢片的离心 破坏的限制，其值可高达4 x 1 0 6 m m 印脚，即圆周速度越为2 0 0 m s ，这种速度 是其它轴承的1 5 - - - 4 倍。因此，磁力轴承的结构在空间允许的条件下，可尽量 增加转子直径d ，以提高其承载能力和改善其动态特性。故可用主轴的最高转 速h 。除d ，值求得直径d 的值，一般磁力轴承的磁场宽度可以取l ；d ，l 、 d 值以及铁磁材料的性能决定轴承的承载能力。 ( 2 ) 悬伸量和跨距的确定 一般机床主轴端部有标准尺寸，为了满足装夹、拆卸刀具、工艺、测量及 其它需要，主轴前端悬伸量在满足上述要求时，应尽量小。径向磁力轴承前端 设计有辅助轴承，磁力轴承的主轴悬伸量比同等的其它轴承要大一些，为了减 少悬伸，采用窄型球轴承，但即使这样做也是有限的，故悬伸量的设计选择余 地不大。 ( 3 ) 转子上零件的布置 在机床上，磁力轴承主要应用在高速或超高速的场合。为了简化主轴的驱 动环节并减少驱动环节的影响，般采取装入式电动机，即电动机的转子和轴 承转子都固定做在主轴上，使其成为个整体。我们采用的电机结构伟置形式 14 武汉理k 学硕 7 f 、7沦丈 如图21 0 所乐。这种结构形式比较接 近理想结构，即支承点处在打击中心， 故前后径向轴承干涉较小，止推轴承设 7 , 1 自 b ，叮以取较小的径向尺寸。缺点 是电机转f 的尺寸受到限制，其最小内 孔尺i ，必须大j 二径向尺寸，适应人负 载，电机的发热影口向轴向精度，且山 二 轴的受压段长，容易产生失稳，故细长 轴不直采用，转子装配完毕后的结构形 式如图2 1 1 所示。 ( 4 ) 位移传感器的布置 困径向、轴向的回转精度和位置精度 分别由径向、轴向的位移传感器的精度来 决定，所以传感器的布置非常重要。 最理想的情况，径向传感器安装在径 向磁力轴承的中间，这样传感器可以准确 地反映支承位置处转子位置的变化。磁悬 浮高速磨女0 主轴径向位移传感器的布置形 式采用如图2 1 2 所示结构，轴向传感器的 基准安装在转子的后端。 辅助保护支承轴承分别安装在转予的 前端和后端。 2 3 磁悬浮单自由度硬盘实验台架工作原理 将磁悬浮技术应用于硬盘光盘的支承，完全消除轴承与硬盘光盘转子的 机械接触，不仅可以大幅度提高硬盘光盘转速，彻底解决硬盘光盘技术发展 的瓶颈，还使得硬盘光盘驱动器具有精度高、发热少、功耗低、无噪声等其 它轴承支承的硬盘和光盘驱动器无法比拟的特点。 为了实现以上这些目的，在分析现有的实际加工装配和控制能力的基础 上，我们首先提出设计单自由度硬盘实验台架，分析其机电祸合情况，在充 分了解单自 土| 度磁悬浮转子的基础上冉进行彩自山度控制硬盘的i 殳汁和祸 合分析。 2 3 1 单自由度硬盘实验台架1 的结构设计及工作原理 图2 1 3 单自由度硬盘实验台架1 总装配工程图l 图2 1 3 所示为设计的单 自由度硬盘实验台架l 的装配 工程图，图2 1 4 为其设计过程 中生成的三维模型。实验台架 1 主要出底板、支撑轴、下托 盘、上托盘、隔套、中心轴、 推力盘、承重盘、挡圈、硬盘 盘片、螺钉、直线轴承等部件 组成的。实验台的底板靠4 个 图2 1 4 硬盘实验台架l 三维模型 螺栓固定在带有t 型槽的支架 上，底板有两个通孔，支撑轴底部与底板的孔紧配合安装，两个支撑轴为台阶 轴形式，上、下托架固定在支撑轴上，托槊之f 、日j 靠隔套柬保证上下洲隙，上托 盘上面靠螺母紧定，拆卸和装配都很简单，便于更换托架，另外这种结构敞丌： l6 性灯，利j 进仃各种实验的测量。 为了能够豇观一个实验台架完成多种组合控制方式的实验工作实验台的 ，承重盘 直线轴承 上托盘 永磁环 密封隔套 铜套 下托盘 中心轴 永磁控制( 内外径向磁环)永磁控制( 径向磁环相同) 永磁电磁混合控制结构图 全电磁控制结构图 图2 1 5 各种不同组合方式下的结构示意图 上f 托盘设计成可自由拆换配对使用的形式。上托盘主要是用来固定铜套，下 托盘用来固定轴向轴承定子。下托盘与上托盘的外形尺寸不同，铜套与上托盘 过渡配合，通过螺钉使其与上托盘锁紧，铜套内粘接有永磁环，下托盘用柬支 承固定轴向定子。 l7 单自由度硬盘实验台架i 水磁电磁混合控制结构及：作原理：如斟21 5 q - 的水磁电磁混合控制示意图所示，h c 盛装自直线轴承和轴向定厂，定子内 装仃铜丝线圈，直线轴承为法兰式结构，通过4 个螺钥固定，轴向定子靠紧定 螺钉与卜托盘固定， 托盘也类似安装仃i 尊线剿i 承和铜套。中心轴为台阶轴形 式，上p 端分别山安装在上、下托盛的 法、! ，直线轴，承支承，限制其径向位移， 在轴向方向叮以灵活地上下运动，中心 轴与推力盘采用不同的材料紧配合住一 起，中心轴中部还有一凹槽，槽内也用 强力胶粘接一个永磁环，永磁环与铜套 内的一样，头部用螺钉连接一个承重盘， 可以把不同重量的砝码放在承重盘上， 中心轴、推力盘、承重盘构成的转子装 图21 6 转子装配总图 配图如图2 1 6 所示。在定子线圈不通电的条件下，上托盘铜套内的磁环与转 子的磁环由于有吸力，使中心轴的上台阶面与铜套的端面贴合在起，肖下托 盘定子内的线圈通额定电流后产生一个电磁场，这个电磁场会对推力盘产生向 下的拉力，通过控制系统调整电磁力的大小，当电磁力与永磁环产生的吸力相 当时，转子就会处于悬浮状态。 单自由度硬盘实验台架l 全电磁控制结构及工作原理：如图215 中的电 磁控制示意图所示，拆下上托盘，采用两个相同的下托盘固定在支撑轴上，中 心轴的形状与混合控制的不同，没有凹槽，只有一个小台阶紧密配合推力盘， j 、日j 隙靠更换不同高度的隔套来实现。工作原理：上下两个定子内的线圈通额定 电流后均产生电磁场，电磁场会对推力盘产生拉力，通过控制系统调整电磁力 的大小，当上下电磁力相当时，转子就会处于悬浮状态。 单自由度硬盘实验台架l 永磁结构及工作原理：如图2 1 5 中的永磁控制 示意图所示，采用两个相同的上托盘固定在支撑轴上，中心轴如图所示卜下部 有凹槽，粘接两个永磁环，永磁环与上托盘铜套内的永磁环规格一样。工作原 理：两对相同的永磁环都两两产生吸力，当控制适当的间隙，可以使中心轴达 到悬浮状态。在这种结构中，永磁环还可以采用大环与小环在同一个平面的形 式，工作原理和前面的类似。 实验台架1 理论计算方法： 在图21 5 所示电磁永磁混合控制 削f j 当没宵电流通过时，推力蛊山j 水 磁坏吸力的作用贴紧，此时定了与转j 问的“i 隙( 占= 2 占。= 0 8 m m ) 达到最 大f f 【，而永磁环的吸力( e 。= 4 0 n ) 也达到最人值。启浮时需要较大的电流 月能产生足够大的吸力，以( i l i i - j 盛川纠、r 衡位胃。设汁陔结构时，首先要通 过奂验测量和理论计算得出永磁叫、能够产生的最大吸力大小，根据这个值4 能 进行下一步设计工作，即所需线圈的安i 西数，定子的体积等。下面简单介绍一 f 设计的理论计算方法。 ( 1 ) 参数表： 图2 1 7 为轴向磁力轴承结构示意图，图中各参数的意义如f ： s 有效磁极面积； “。一空气磁导率，取，z o = 4 刀1 0 垤a m ： b 一气隙磁感应强度( 静态工作点b = b 。) ； 占一工作气隙( 静态工作点占= 瓯) ； 一线圈匝数； 卜激磁电流( 静态工作点，= ，。) ； j 控制电流； 一 一 。9 。， a 线圈有效散热面积； 一一一。! f ! 一一一， d 一一导线的线径； 。 如， d 。线圈窗口高度；+ ，f 蠢。一 一 f 推力盘厚度；i g 定子顶部厚度；d i , f 、一静态载荷，动态载 。 + p l 伺： 、f 。、f 。推力盘处于 “ 平衡位置、萨时( 占= 占。+ 占。) 、h 负u 寸( 占2 氐一占) 峰值处时， 图2 17 轴向磁力轴承结构示意l 期 电磁铁的吸力； f 常工作状态下，推力盘浮动范围( j 。一占。) ( 氐+ 占) ； 1 9 g i ：是 武汉理人一7 倾十学何论文 r 2 1 已知参数： 电磁铁芯内外径：d = 1 6 m m ，d 。= 5 0 r a m ； 静载倚：f 、= f m m g = f4 0 , 2 5 9 8 = 2 4 2 4 5 = 2 1 5 5 n 动载茼：y ，= 1 5 n ； ：l 。作气隙：占( 1 = 0 4 m m ，占。= o0 2 r a m 永久磁环保护m j 隙：d = l m m ； 蚪境湍度2 0 ”c ，允许温升f 。 8 0 “( j ； f 3 ) 基本计算公式 当仅考虑气隙中的磁场为均匀磁场时 式求得： f ：b 1 2 o 电磁铁产生的吸力可由麦克斯韦公 ( 2 1 6 ) 对于双气隙单、馓磁电磁铁，任均匀气隙磁场，不考