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混合型磁悬浮轴承基础研究 ii abstract the bias magnetic fields of hybrid magnetic bearings (hmbs) are created by permanent magnets so that the power consumption of magnetic bearings can be reduced effectively. hmbs have irreplaceable advantages in those fields that have high demands on power consumption, such as aeronautics and astronautics, energy storage and energy conversion etc. hybrid magnetic bearing is an important development direction in magnetic bearing technology. this dissertation is footed in the basic characteristics of hmbs and researches on some aspects of hmbs, such as classification system, topological structure, parameter design and optimization, magnetic field analysis and system design. based on analyzing the basic characteristics of hmbs, the classification of hmbs is studied at first. a classification basis is presened for the first time that hmbs can be distinguished according to their control magnetic fields distribution in air gaps. combined with the differences in function and bias magnetic fields polar distribution, a novel classification system of hmbs is constructed. based on the classification system of hmbs, the topological structures of hmbs are studied, and a topological structure design method is presented. according to the type of one hybrid magnetic bearing, the basic topological structure of it can be schemed out. using this method, the concrete topological structures design of each type of hmbs is studied. previous topological structures are rearranged and classified, and some novel topological structures are presented. at the same time, the advantages and disadvantages of each topological structure are analyzed and compared qualitatively. based on the equivalent magnetic circuit method, parameters design method is studied. a design method based on total magnetic flux calculation is presented to improve the optimization degree of parameters. the magnetic reluctance coefficient and magnetic leakage coefficient are obtained by finite element method through cyclic iteration to improve the the design precision. based on the general parameters design method presented above, the concrete parameters design methods of a hybrid axial magnetic bearing, a hybrid radial magnetic bearing and a hybrid axial- radial magnetic bearing are studied. based on analyzing the topological structures and magnetic fields distribution, the parameters design and optimization formulas of soft magnetic material components, permanent magnet components and windings are derived. the design goal is maximum bearing force of hmbs, the constraint condition is unsaturated flux density in soft magnetic material and the optimization object is minimum volume. based on matlab, the design and optimization softwares are developed which have a friendly interface and a simple operation. magnetic fields in hmbs are 南京航空航天大学博士学位论文 iii simulated and analyzed by using finite element analysis software. parameters design formulas are perfected in reference to the simulation results. parameters of hmbs are finally obtained which can meet the design goals. hybrid magnetic bearings system is studied. a five degrees of freedom motor system is built, which consists of a hybrid axial- radial magnetic bearing, a hybrid radail magnetic bearing and a high speed motor. two hybrid magnetic bearings in this system have similar topological structures and most parts of them can be exchanged. the digital control system and switching power amplifiers of the system are designed. the rotor is suspended stably from 0 to 20000r/min. the parameters design method is proved to have higher accuracy by test data. keywords: hybrid magnetic bearing, classification, topological structures, parameter optimization design, finite element analysis 混合型磁悬浮轴承基础研究 viii 图表清单 图 1.1 主动型磁悬浮轴承系统组成.2 图 2.1 不同功能的混合型磁悬浮轴承.7 图 2.2 同极性结构与异极性结构的混合型磁悬浮轴承.8 图 2.3 混合型磁悬浮轴承的分类体系.9 图 2.4 混合型轴向磁悬浮轴承的定子磁极与转子铁心.10 图 2.5 同极性全气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的气隙磁场.10 图 2.6 同极性全气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的控制绕组与控制磁场.11 图 2.7 同极性全气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的永磁材料与偏置磁场.11 图 2.8 同极性半气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的气隙磁场.11 图 2.9 同极性半气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的控制绕组与控制磁场.12 图 2.10 同极性半气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的永磁材料.12 图 2.11 同极性半气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的偏置磁场.12 图 2.12 两定子磁极异极性全气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的气隙磁场.13 图 2.13 两定子磁极异极性半气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的控制绕组与控制磁场.13 图 2.14 两定子磁极异极性全气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的永磁材料.13 图 2.15 两定子磁极异极性全气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的偏置磁场.14 图 2.16 多定子磁极异极性全气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的永磁材料.14 图 2.17 多定子磁极异极性全气隙悬浮混合型轴向磁悬浮轴承的偏置磁场.14 图 2.18 混合型径向磁悬浮轴承的定子磁极与转子铁心.15 图 2.19 同极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承的气隙磁场.15 图 2.20 同极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承的控制绕组.16 图 2.21 同极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承的控制磁场.16 图 2.22 同极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承中的永磁材料.16 图 2.23 同极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承中的偏置磁场.16 图 2.24 同极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承.17 图 2.25 同极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承.17 图 2.26 两种同极性半气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承.18 图 2.27 异极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承的气隙磁场.19 图 2.28 异极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承的控制绕组与控制磁场.19 图 2.29 异极性全气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承的永磁材料与偏置磁场.19 图 2.30 四种异极性半气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承.20 南京航空航天大学博士学位论文 ix 图 2.31 四种异极性半气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承的控制磁场.20 图 2.32 四种异极性半气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承的偏置磁场.20 图 2.33 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的拓扑结构、控制磁场与偏置磁场.21 图 2.34 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的拓扑结构、控制磁场与偏置磁场.22 图 2.35 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的拓扑结构、控制磁场与偏置磁场.22 图 2.36 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的拓扑结构.22 图 2.37 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的偏置磁场.23 图 2.38 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的控制磁场.23 图 3.1 混合型磁悬浮轴承参数设计与优化流程图.28 图 3.2 混合型磁悬浮轴承磁场总磁通量计算流程图.28 图 3.3 软磁材料参数设计与优化流程图.29 图 3.4 永磁材料参数设计与优化流程图.29 图 3.5 控制绕组参数设计与优化流程图.30 图 3.6 混合型轴向磁悬浮轴承部件.31 图 3.7 混合型轴向磁悬浮轴承参数设计与优化流程图.32 图 3.8 混合型轴向磁悬浮轴承体积与控制绕组外径函数关系曲线.36 图 3.9 混合型径向磁悬浮轴承部件.38 图 3.10 混合型径向磁悬浮轴承参数设计与优化流程图.39 图 3.11 混合型径向磁悬浮轴承外径与转子铁心外径函数关系拟合曲线.43 图 3.12 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承部件.45 图 3.13 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承参数设计与优化流程图.46 图 3.14 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承体积与转子铁心外径函数关系拟合曲线.52 图 4.1 有限元软件分析流程.55 图 4.2 混合型轴向磁悬浮轴承磁场有限元仿真与分析流程图.55 图 4.3 软磁材料磁化曲线.56 图 4.4 混合型轴向磁悬浮轴承的二维轴对称模型与网格剖分.56 图 4.5 混合型轴向磁悬浮轴承的轴向控制磁场.56 图 4.6 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向气隙中轴向控制磁场的磁通密度.57 图 4.7 混合型轴向磁悬浮轴承内轴向磁极中轴向控制磁场的磁通密度.57 图 4.8 混合型轴向磁悬浮轴承定子圆盘中轴向控制磁场的磁通密度.58 图 4.9 混合型轴向磁悬浮轴承的偏置磁场.58 图 4.10 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向气隙中偏置磁场的磁通密度.58 图 4.11 混合型轴向磁悬浮轴承永磁材料中性面处偏置磁场的磁通密度.59 图 4.12 混合型轴向磁悬浮轴承定子圆盘中偏置磁场的磁通密度.59 图 4.13 混合型轴向磁悬浮轴承的二维轴对称模型与网格剖分.60 混合型磁悬浮轴承基础研究 x 图 4.14 混合型轴向磁悬浮轴承的轴向控制磁场.60 图 4.15 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向气隙中轴向控制磁场的磁通密度.60 图 4.16 混合型轴向磁悬浮轴承内轴向磁极中轴向控制磁场的磁通密度.61 图 4.17 混合型轴向磁悬浮轴承定子圆盘中轴向控制磁场的磁通密度.61 图 4.18 混合型轴向磁悬浮轴承的偏置磁场.61 图 4.19 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向气隙中偏置磁场的磁通密度.62 图 4.20 混合型轴向磁悬浮轴承永磁材料中性面处偏置磁场的磁通密度.62 图 4.21 混合型轴向磁悬浮轴承定子圆盘中偏置磁场的磁通密度.63 图 4.22 混合型轴向磁悬浮轴承的二维轴对称模型与网格剖分.64 图 4.23 混合型轴向磁悬浮轴承的轴向控制磁场.65 图 4.24 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向气隙中轴向控制磁场的磁通密度.65 图 4.25 混合型轴向磁悬浮轴承内轴向磁极中轴向控制磁场的磁通密度.65 图 4.26 混合型轴向磁悬浮轴承定子圆盘中轴向控制磁场的磁通密度.66 图 4.27 混合型轴向磁悬浮轴承的偏置磁场.66 图 4.28 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向气隙中偏置磁场的磁通密度.67 图 4.29 混合型轴向磁悬浮轴承永磁材料中性面处偏置磁场的磁通密度.67 图 4.30 混合型轴向磁悬浮轴承定子圆盘中偏置磁场的磁通密度.68 图 4.31 混合型轴向磁悬浮轴承的叠加磁场.68 图 4.32 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向气隙中叠加磁场的磁通密度.69 图 4.33 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向磁极中叠加磁场的磁通密度.69 图 4.34 混合型轴向磁悬浮轴承的二维轴对称模型与网格剖分.70 图 4.35 混合型轴向磁悬浮轴承内轴向气隙中磁场的磁通密度.71 图 4.36 混合型轴向磁悬浮轴承外轴向气隙中磁场的磁通密度.71 图 4.37 混合型轴向磁悬浮轴承永磁材料中性面处偏置磁场的磁通密度.71 图 4.38 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向气隙中叠加磁场的磁通密度.72 图 4.39 混合型轴向磁悬浮轴承内、外轴向磁极中叠加磁场的磁通密度.72 图 4.40 混合型轴向磁悬浮轴承定子圆盘中叠加磁场的磁通密度.72 图 4.41 混合型径向磁悬浮轴承磁场有限元仿真与分析流程图.73 图 4.42 混合型径向磁悬浮轴承的二维轴对称模型与网格剖分.74 图 4.43 混合型径向磁悬浮轴承的偏置磁场.74 图 4.44 混合型径向磁悬浮轴承径向气隙中偏置磁场的磁通密度.74 图 4.45 混合型径向磁悬浮轴承永磁材料中性面处偏置磁场的磁通密度.75 图 4.46 混合型径向磁悬浮轴承转子铁心中偏置磁场的磁通密度.75 图 4.47 混合型径向磁悬浮轴承定子磁轭中偏置磁场的磁通密度.76 图 4.48 混合型径向磁悬浮轴承的二维平面模型与网格剖分.76 南京航空航天大学博士学位论文 xi 图 4.49 混合型径向磁悬浮轴承的径向控制磁场.76 图 4.50 混合型径向磁悬浮轴承径向气隙中径向控制磁场的磁通密度.77 图 4.51 混合型径向磁悬浮轴承定子磁轭中径向控制磁场的磁通密度.77 图 4.52 混合型径向磁悬浮轴承的二维轴对称模型与网格剖分.78 图 4.53 混合型径向磁悬浮轴承的偏置磁场.79 图 4.54 混合型径向磁悬浮轴承径向气隙中偏置磁场的磁通密度.79 图 4.55 混合型径向磁悬浮轴承永磁材料中性面处偏置磁场的磁通密度.79 图 4.56 混合型径向磁悬浮轴承转子铁心中偏置磁场的磁通密度.80 图 4.57 混合型径向磁悬浮轴承定子磁轭中偏置磁场的磁通密度.80 图 4.58 混合型径向磁悬浮轴承的二维平面模型与网格剖分.81 图 4.59 混合型径向磁悬浮轴承的径向控制磁场.81 图 4.60 混合型径向磁悬浮轴承径向气隙中径向控制磁场的磁通密度.81 图 4.61 混合型径向磁悬浮轴承定子磁轭中径向控制磁场的磁通密度.82 图 4.62 混合型径向磁悬浮轴承转子铁心中偏置磁场的磁通密度.82 图 4.63 混合型径向磁悬浮轴承转子铁心中径向控制磁场的磁通密度.83 图 4.64 混合型径向磁悬浮轴承转子铁心中叠加磁场的磁通密度.84 图 4.65 混合型径向磁悬浮轴承定子磁轭中偏置磁场的磁通密度.84 图 4.66 混合型径向磁悬浮轴承定子磁轭中径向控制磁场的磁通密度.84 图 4.67 混合型径向磁悬浮轴承定子磁轭中叠加磁场的磁通密度.85 图 4.68 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承磁场有限元仿真与分析流程图.86 图 4.69 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的二维轴对称模型及网格剖分.87 图 4.70 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的偏置磁场.87 图 4.71 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承轴向、径向气隙中偏置磁场的磁通密度.87 图 4.72 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承永磁材料中性面处偏置磁场的磁通密度.88 图 4.73 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子圆盘中偏置磁场的磁通密度.88 图 4.74 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子套筒中偏置磁场的磁通密度.89 图 4.75 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的轴向控制磁场.89 图 4.76 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承轴向气隙中轴向控制磁场的磁通密度.90 图 4.77 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子套筒中轴向控制磁场的磁通密度.90 图 4.78 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子圆盘中轴向控制磁场的磁通密度.91 图 4.79 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的二维平面模型与网格剖分.91 图 4.80 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的径向控制磁场.91 图 4.81 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承径向气隙中径向控制磁场的磁通密度.92 图 4.82 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子磁轭中径向控制磁场的磁通密度.92 图 4.83 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的二维轴对称模型与网格剖分.94 混合型磁悬浮轴承基础研究 xii 图 4.84 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的偏置磁场.94 图 4.85 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承轴向、径向气隙中偏置磁场的磁通密度.94 图 4.86 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承永磁材料中性面处偏置磁场的磁通密度.95 图 4.87 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子圆盘中偏置磁场的磁通密度.95 图 4.88 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子套筒中偏置磁场的磁通密度.96 图 4.89 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的轴向控制磁场.96 图 4.90 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承轴向气隙中轴向控制磁场的磁通密度.97 图 4.91 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子套筒中轴向控制磁场的磁通密度.97 图 4.92 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子圆盘中轴向控制磁场的磁通密度.98 图 4.93 混合型轴向- 径向磁悬浮的叠加磁场（偏置+轴向）.98 图 4.94 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承轴向气隙中叠加磁场的磁通密度（偏置+轴向）.98 图 4.95 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子圆盘中叠加磁场的磁通密度（偏置+轴向）.99 图 4.96 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子套筒中叠加磁场的磁通密度（偏置+轴向）.99 图 4.97 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的二维平面模型与网格剖分.99 图 4.98 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承的径向控制磁场（两自由度）.100 图 4.99 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承径向气隙中径向控制磁场的磁通密度.100 图 4.100 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子磁轭中径向控制磁场的磁通密度.100 图 4.101 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承转子铁心中叠加磁场的磁通密度（偏置+轴向）.101 图 4.102 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承转子铁心中径向控制磁场的磁通密度.101 图 4.103 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承转子铁心中叠加磁场的磁通密度（偏置+轴向+径向）102 图 4.104 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子磁轭中叠加磁场的磁通密度（偏置+轴向）.103 图 4.105 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子磁轭中径向控制磁场的磁通密度.103 图 4.106 混合型轴向- 径向磁悬浮轴承定子磁轭中叠加磁场的磁通密度.104 图 5.1 同极性半气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承部件.105 图 5.2 同极性半气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承的偏置磁场.106 图 5.3 同极性半气隙悬浮混合型径向磁悬浮轴承气隙中偏置磁场的磁通密度.106 图 5.4 五自由度混合型磁悬浮轴承电机系统机械结构.106 图 5.5 五自由度混合型磁悬浮轴承电机系统实验样机.107 图 5.6