（机械电子工程专业论文）hbm型立式轴流泵永磁轴承的设计.pdf

摘要我国泵站中立式轴流泵及导叶式混流泵占很大比例，而导轴承是大型水泵最为关键的易磨、易损部件。要实现旋转机械的可靠运转，必须解决高速转子的支承问题。机械轴承有接触、需润滑和要维护，限制了它的最高转速和使用寿命，已成为传统驱动高速化的瓶颈。磁悬浮支承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、无功耗、无污染、高精度、寿命长、工作可靠等一系列优良品质。因此对其磁场及磁力的研究就显得越来越重要。目前，永磁悬浮支承的分析和设计理论还远不成熟。已有的研究主要针对双环永磁轴承的研究，且多为复杂的数值计算模型，缺乏对永磁轴承新结构的研究及其永磁轴承磁力显式解析模型的研究，难以进行指导永磁轴承的结构设计和优化。因此本文研究的嵌套多环h a l b a c h 阵列永磁轴承磁力显式解析模型具有重要的现实意义。本文所做的主要工作如下：1 ) 分析轴流泵导轴承载荷的分布情况可得出各种径向分载荷中的大部分分载荷的大小或方向是随机的。考虑到分载荷方向的随机性对总载荷的影响大于大小的随机性对总载荷的影响，因此，近似认为各个分载荷大小等于其最大值，并假定方向随机变化的各分载荷出现在各个方向的概率密度均匀分布，且相互独立，研究方向随机变化的各分载荷对导轴承的总作用效果。2 ) h a l b a c h 阵列的永磁轴承在形式上是一种嵌套旋转磁化永磁环堆叠的结构。首先基于等效磁荷法对单对嵌套永磁环结构的数学建模方法分析，根据线性叠加原理建立单个波长的嵌套永磁环堆叠结构的数学模型；接着用分子电流法建立单个波长h a l b a c h 阵列磁体承载力的数学显式解析模型，并推导出刚度表达式。通过编程及数值计算结合有限元软件分析比较，发现用基于等效磁荷法对单对嵌套永磁环结构的数学建模分析方法相对于用分子电流法建立单个波长的h a l b a c h 阵列磁体承载力的数学显式解析模型误差大，而且计算繁杂，而采用单个波长的h a l b a c h 阵列磁体承载力的数学显式解析模型表明各个参数之间函数关系具有比较直观的特点，便于优化设计，且相对有限元软件分析结果的误差约为5 。3 ) 推导及验证多个波长的h a l b a c h 阵列磁体承载力显式表达式及刚度表达式，结合h a l b a c h 磁体最优结构参数关系式，设计合适的磁体结构以满足所需的磁力、刚度等指标，相对有限元软件分析结果的误差约为6 。关键词：立式轴流泵；h a l b a c h 阵列；永磁轴承；径向载荷；永磁轴承应用于立式轴流泵的设计a b s t r a c tt h ep r o p o r t i o no fv e r t i c a la x i a lf l o wp u m pa n dm i x e df l o wp u m pi sl a r g ei nc h i n a a n dt h eg r i n d a b i l i t yg u i d eb e a r i n gi st h em o s tc r i t i c a l ，f r a g i l ep a r t so fl a r g ep u m p t oa c h i e v er e l i a b l eo p e r a t i o n ，t h ep r o b l e mr o o t e df r o mh i g h - s p e e dr o t o rs u p p o r t e di sn e e d e dt ob ea d d r e s s e d m e c h a n i c a lc o n t a c tb e a r i n g s ，l u b r i c a t i o na n dt h en e e dt om a i n t a i nt h eh i g h e s tl i m i to fi t ss p e e da n ds e r v i c el i f e ，h a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ko ft r a d i t i o n a lh i g h s p e e dd r i v i n g m a g n e t i cb e a r i n g sh a v en of r i c t i o n ，n ow e a r , n ol u b r i c a t i o na n ds e a l i n g , n op o w e r , n op o l l u t i o n ，h i 【g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ，l o n gl i f e ，r e l i a b l eo p e r a t i o na n das e r i e so fg o o dq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fm a g n e t i cf i e l da n dm a g n e t i cf o r c eb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t a tp r e s e n t ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g nf o rt h ep e r m a n e n tm a g n e t i cb e a r i n gi sf a rf r o mm a t u r e e x i s t i n gr e s e a r c hs t u d i e sf o rt h ed o u b l e - l o o pp e r m a n e n tm a g n e tb e a r i n g s ，a n dt h e ya r ec o m p l e xn u m e r i c a lm o d e l a n di ti sl a c ko fn e ws t r u c t u r e so fp e r m a n e n tm a g n e tb e a r i n g sa n dm a g n e t i cb e a r i n g sm a g n e t i ce x p l i c i ta n a l y t i e a lm o d e l ，g u i d d i n gt h ep e r m a n e n tm a g n e tb e a r i n gt h ei n c o n v e n i e n c es t r u c t u r a ld e s i g na n do p t i m i z a t i o n t h i sa r t i c l ew h i c hs t u d i e sn e s t e dm u l t i - r i n gh a l b a c ha r r a yp e r m a n e n tm a g n e tm a g n e t i cb e a r i n g se x p l i c i ta n a l y t i c a lm o d e lh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sm a j o rw o r kd o n eb yt h ef o l l o w i n g ：1 ) i ti sk n o w nt h a tm o s to ft h el o a ds i z ea n dd i r e c t i o no fr a d i a lp o i n t sa r er a n d o mb ya n a l y z i n gt h ea x i a lg u i d eb e a r i n gl o a dd i s t r i b u t i o n t h i sm a k e st h ep r o b l e mt o oc o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l tt os o l v e b e c a u s et h er a n d o m n e s so ft h ed i r e c t i o no fs u b l o a de f f e c to nt h et o t a ll o a di sl a r g e rt h a nt h es i z eo ft h et o t a ll o a do fr a n d o m ，i ta p r o x i m a t e st h a ta l lp o i n t se q u a lt oi t sm a x i m u mp a y l o a ds i z e a n da s s u m et h a tt h er a n d o mc h a n g e s ，i n d e p e n d e n to fe a c ho t h e r , i nt h ed i r e c t i o no ft h es u b - l o a di na l ld i r e c t i o n su n i f o r m l yd i s t r i b u t e dp r o b a b i l i t yd e n s i t y i ti so fs u b - l o a dw h i c hi sr a n d o mc h a n g e so fd i r e c t i o nb e a r i n go nt h eo v e r a l le f f e c to fl e a d 2 ) h a l b a c ha r r a yo fp e r m a n e n tm a g n e tb e a r i n g si sn e s t e di nt h ef o r mo far o t a t i n gm a g n e t i z e dp e r m a n e n tm a g n e tr i n g ss t a c k e ds t r u c t u r e f i r s t ，b a s e do nt h ee q u i v a l e n tm a g n e t i cc h a r g em e t h o d ，as i n g l e p a i rn e s t e dp e r m a n e n tm a g n e tr i n gs t r u c t u r eo fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi sa n a l i e d a c c o r d i n gt ot h el i n e a rs u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e ，as i n g l ew a v e l e n g t ho ft h en e s t e ds t r u c t u r eo fp e r m a n e n tm a g n e tr i n g ss t a c k e dm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d t h e n ，u s i n gm o l e c u l a rc u r r e n tl a w , as i n g l ew a v e l e n g t ho fh a l b a c ha r r a ym a g n e t se x p l i c i ta n a l y t i c a lc a p a c i t yo ft h e兰州理工大学硕士学位论文m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d t h e ns t i f f n e s se x p r e s s i o n sa r cd e r i v e d t h r o u g hp r o g r a m m i n ga n dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nw i t hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e i ts h o w st h a tt h eu s eo fm a g n e t i cc h a r g em e t h o db a s e do ne q u i v a l e n ts i n g l e r i n gs t r u c t u r eo ft h en e s t e dp e r m a n e n tm a g n e tm o d e la n da n a l y z et h em e t h o dr e l a t i v et ot h ec u r r e n tm e t h o du s e dt oe s t a b l i s has i n g l em o l e c u l eo fh a l b a c ha r r a ym a g n e t sw a v e l e n g t hc a p a c i t yo fe x p l i c i ta n a l y t i c a lm a t h e m a t i c a lm o d e le l r o r sl a r g ea n dc o m p l e xc a l c u l a t i o n h o w e v e r , u s i n gas i n g l ew a v e l e n g t ho fh a l b a c ha r r a ym a g n e t sb e a r i n gc a p a c i t yo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e ls h o w st h a te x p l i c i ta n a l y t i c a lf u n c t i o no fv a r i o u sp a r a m e t e r sh a v ei n t u i t i v ef e a t u r e s i ti se a s yt oo p t i m i z et h ed e s i g n a n di ti sr e l a t i v e l yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t so fe r r o ro fa b o u t5 3 ) h a l b a c hm a g n e ta r r a ym u l t i p l ew a v e l e n g t hc a p a c i t y , a n de x p l i c i te x p r e s s i o no ft h es t i f f n e s se x p r e s s i o n sa r ed e r i v e da n dv e r i f i e d i tc o m b i n e st h eb e s ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fh a l b a c hm a g n e tr e l a t i o n s h i p ，t h ea p p r o p r i a t em a g n e ts t r u c t u r ei sd e s i g n e d i tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h em a g n e t i cf o r c e ，s t i f f n e s si n d e x ，a n di ti sr e l a t i v e l yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t so fe r r o ro f6 k e yw o r d s ：v e r t i c a la x i a lf l o wp u m p ；h a l b a c ha r r a y ；p e r m a n e n tm a g n e tb e a r i n g s ；r a d i a ll o a dm兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者虢陋声劾驴日期卯，拜6 月7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：导师签名：日期：沙f 弹日期：细f 萨日日r7一月月占厂d三兰兰：銮差：墨：三1 1 课题意义第l 章绪论我国泵站装机容量达7 0 0 0 多万k w ，其中，立式轴流泵及导叶式混流泵占很大比例，导轴承是大型水泵最为关键的部件，且易磨损，故障占泵机组故障的5 0 以上故障率高。因此，水泵导轴承是泵机组运行寿命、大修周期和可靠性的主要控制性因素“。1 。早期使用橡胶轴承虽然对介质中的固体颗粒可以包容，使轴免于固体颗粒的研磨但由于其容易磨损，失效，老化等问题，直影响着水力机械的使用寿命。采用赛龙( 一种三次元交叉结晶热凝性树脂) ，虽然它的耐磨性和寿命比橡胶长，但是淤积泥沙对轴造堵塞造成固体颗粒被挤压嵌到赛龙轴承的内壁上时。严重的研磨泵轴，造成更为严重的后果。从工程实际得知靠近叶轮端的载荷比较复杂，是旋转主轴及导轴承比较容易受磨损的部位，如图卜1 、图1 2 所示为一个磨损严重的塞龙轴承及主轴。田卜1 塞龙轴承接触面磨损田l 2 转轴音揖本文对立式轴流泵导轴承径向载荷进行研究，结合永磁轴承的特点，设计合适的永磁轴承装置，从而减小轴承摩擦损耗( 摩擦系数约为9 0 x 1 0 4 ) ，几乎没有摩擦，降低故障率，提高可靠性，节省泵站维护检修费用。1 2 永磁磁悬浮支承的特点要实现机械的高速、超高速可靠运转，必须解决高速转子的支承问题。机械轴承有接触、需润滑和要维护，限制了它的最高转速和使用寿命，已成为传统驱动高速化的瓶颈。虽然气浮或油浮轴承可以解决无接触的问题，但需要专门的气、油压系统和复杂的密封技术，油浮轴承还永磁轴承应用于立式轴流泵的设计会带来油雾的污染问题，这在某些场合( 如高速气体分离中) 不被接受永磁悬浮支承技术是一种集机械学、力学、电磁学、磁性材料学等学科于一体的综合技术，是通过磁场力实现无机械接触的新型高性能支承技术q 1 。由于磁悬浮支承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、无功耗、无污染、高精度、寿命长、工作可靠等一系列优良品质。73 ，它具有传统机械支承无法比拟的优点：1 ) 允许转子高速旋转。因为无机械接触、无磨损、无噪音、由于不存在摩擦而引起的温升，所以转子速度只受材料强度的限制，转子圆周线速度比其它各种类型轴承支承的转子都高。实际应用中采用具有软磁特性的晶态金属圆周速度可达1o o 一3 0 0 m s ，若采用能承受高应力并同时具体优良的软磁特性的非晶态金属圆周速度可达4 0 0 m s 。2 ) 不需要润滑和密封装置，结构简单、可靠、由于省掉了润滑油泵、管道、过滤器密封元件、冷却、循环等设施，在价格和占用空间位置上，完全可以和滑动支承相竞争。3 ) 支承无功耗，这对能源的节约有重大意义。4 ) 环境适应性强，可以在低温、真空、超净无菌、禁止润滑剂等环境以及腐蚀性介质或非常纯净介质的传输下工作，不会因润滑剂而污染环境。5 ) 力分布均衡，具有自动平衡功能，回转部件是绕其自身的惯性轴回转，而不是绕几何中心回转，即使转子不在轴承中心也能支持主轴，消除附加的动压力，也就消除了由此产生的附加振动。1 3 磁悬浮支承的研究历史和现状利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久。然而，真正意义上的磁悬浮研究是从二十世纪初利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究开始。19 3 7 年，德国人k e m p e r 申请了一项有关主动磁悬浮支承的专利阳，他认为要想实现稳定的磁悬浮，必须根据物体的磁悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用可控电磁铁才能实现。这一年，维吉尼亚大学的霍尔摩斯承( b a h o - l m e s ) 教授利用磁化磁体、电磁铁和位置传感器等元器件成功地实现了物体的稳定悬浮，从而标志着磁悬浮时代的到来。几乎在同一时期，v ir g inia 大学的b e a m s 等人采用有源磁悬浮技术悬浮小钢球，并通过钢球在高速旋转时所能承受的离心力测定试验材料性能1 。同年，美国的h o l m es 和其同事b e a m s 等仅研究出了一种磁悬浮系统的设计图，而且还将这一原理应用于超高速离心机上次年，k e m p e r 首先采用了一个可控电磁铁成功地实现了重达21o k g 物体的稳定悬浮控制，2兰州理工大学硕士学位论文这一研究成为磁悬浮列车的雏形n 引。19 3 9 年，b r a u n b e c k 对e a m s h a w 教授所提出的理论进行了详尽的数学论证，并且指出：在磁力轴承系统中，动磁环在由永久磁铁( 相对磁导率1 )或恒定直流电磁铁所形成的静态磁力场中得不到稳定悬浮，但是，如果该系统中含有抗磁材料( 相对磁导率o ) 或超导材料( 相对磁导率为0 ) 则可以实现稳定悬浮。由于抗磁体悬浮的重量小，刚度低，超导体悬浮技术的实现要求有制冷系统，其设备结构和技术发展水平还达不到玉程实用的要求。因此，对被悬浮磁环进行主动控制的电磁轴承渐渐成为磁力轴承理论研究和技术实现的主要方向。19 5 0 年，美国v ir g in ia 大学的b e a m s 最早研制出离心机用混合磁悬浮轴承。195 7 年法国的h is p a n o - s u iz a 公司第一个提出了利用电磁铁和感应传感器组成主动( 有源) 全悬浮系统的设想，取得了法国专利( f r e n c h p a t e n t1 18 6 5 27 ，n o v e m b e r ，19 5 7 ) 。6 0 年代初美国德恩伯实验室首先在空间制导和惯性轮上成功地使用了磁轴承。在日本，森美朗等分别于l9 6 5 年、l9 6 8 年发表了“可控( 主动) 磁力轴承的基础研究第一报、第二报、第三报的论文，建立了磁力轴承单自由度的数学模型，并进行了实验研究和分析。19 6 9 年，法国s e p ( s o cie tee u r o p e e n n ed ep r o p u ls io n ) 公司开始研究主动和被动磁悬浮系统的特性。7 0 年代初，法国s e p 公司和德国t e ld ix 公司受委托共同设计开发了一种装有磁浮轴承的导向飞轮。从7 0 年起，磁悬浮支承就已经用在卫星姿态控制的动量飞轮上n 。19 7 2 年法国军事科学研究实验室将磁轴承用于卫星导航的惯性轮上。与此同时，美国n a s a 系统也开发永磁和电磁混合型磁力轴承并应用到卫星与导航惯性轮的储能飞轮上19 7 7 年s 2 m 公司开发出了世界上第一台转速为2 - 4 万转的高速机床磁力轴承主轴。从7o 年代末到8 0 年代初，人们逐步开始将主动磁力轴承推广应用到工业设备中，成功地将磁悬浮技术应用于高精度的机床主轴、数控机床主轴、高压真空泵、涡轮分子泵、涡轮发电机，水轮发电机、压缩机、高速离心机、液氦泵、卫星导航等领域中。1 9 81 年，s 2 m 公司在h a n o v e r 欧洲国际机床博览会上，首次向公众推出b 2 0 5 0 0 磁悬浮轴承主轴系统，并在3 5 0 0 0 r p m 下进行了钻、铣削的现场表演，其高速、高效、高精度、低功耗的优良性能引起了各国的关注19 8 4 年，s 2 m 公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本磁轴承公司，同年推出了高速铣削磁力轴承主轴头，超高速磨削主轴头，并有已标准化的6 0 0 0 - 18 0 0 o o r m in 的径向轴承和止锥轴承。1 9 8 6 年6 月日本在h 一1 型火箭上进行了磁悬浮飞轮的空间试验19 8 9 年欧洲已将电磁轴承技术应用在9 0 0 m w 和13 0 0 m w 的透平发电机的转子支承上，用于抑制经过临界转速时和叶片损坏后引起的转子振动，电磁力达3永磁轴承应用于立式轴流泵的设计到3 0 0 k n 。19 9 3 年10 月在英国北海海滨4 台采用磁轴承的透平压缩机投入运行，主要用于天然气的露点控制。l9 9 4 年1 1 月，美国惠普公司在计划研究的x t c 一6 5 航空发动机的核心中使用了磁悬浮轴承，其验证机通过了lo o 小时的试验引。l9 9 5 年日本精工精机公司在意大利国际机床博览会上展出了采用磁悬浮轴承主轴部件的机械加工中心m v - 4 0 b 。19 9 6 年在日本召开的第五届磁轴承国际会议上，瑞士的p h i1p pb u h le r 等人介绍了用于高速切削机床的数控式磁轴承。19 9 7 年报道了一系列有关航空发动机用的高温磁轴承的研究成果，成功研制了能够在510 高温下工作的磁悬浮轴承系统，转速为2 2 0 0 0 r m in ，研制的高温磁轴承在单轴发动机的模型转子上成功的进行了试验。日本的e b a r a 公司研制的高温磁轴承在410 下，连续、安全运行了15 0 0 小时。19 9 8 年m j b a lo n 等人将磁轴承应用于人工心脏泵。最近几年，国外对磁轴承在发动机中应用的可行性作了系统研究，结果表明：使用磁轴承可以将发动机的重量减轻15 并将其效率提高5 左右。国内对磁浮轴承的研究始于2 0 世纪6 0 年代，西安交通大学轴承研究所于19 9 0 年在国内首次实现了4 个自由度电磁轴承的稳定磁悬浮，转速达到3 6 0 0 0 r m in 。清华大学电磁轴承研究室为无锡磨床厂研制了磨床主轴用电磁轴承。南京航空航天大学于l9 9 2 年开始对航空发电机用电磁轴承系统进行跟踪研究，已建成3 个电磁轴承实验台，转速达到6 0 0 0 0 r m in 。上海大学轴承研究室和苏州西达低温设备厂合作研制成功的15 0 m 3 透平膨胀样机，转速达到9 8 0 0 0 r m in 。沈阳发动机设计研究所和上海大学合作研制成功了转速为2 0 0 0 0 r m in 的航空发动机原理试验样机。以自主开发等方式在磁轴承方面做过研究工作的单位有西安交通大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、清华大学、浙江大学、国防科技大学、天津大学、南京航空航天大学、上海大学、武汉理工大学、上海微电机研究所、西安理工大学等。目前我国的磁轴承研究与发达国家相比还有一定差距。在磁悬浮导轨方面：早在l9 2 2 年德国工程师赫尔曼肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于l9 3 4 年申请了磁悬浮列车的专利。到了6 0 年代，英国、日本和德国根据不同的设计方案，分别制造出了磁悬浮列车的样机。德国的主动磁悬浮技术的研究主要集中在电磁型( e le ct r o m a g n e tics y s t e m ，简称e m s 型) 磁悬浮列车上。19 7 7 年，德国航空公司研制成功的k o m e t 磁浮列车，在一段专门实验的轨道上进行了运行试验，时速高达3 6 0 公里，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。日本主要集中于电动型( e 1e c t r od y n a m ics y s te m ，简称e d s 型，也称斥力型、超导型) 磁悬浮4兰州理工大学硕士学位论文列车的研究与开发工作。19 7 9 年研制成功m l 5 0 0 型，时速高达517 公里。k a r ld ie te rt ie s l e 在l9 9 4 年建立的一个磁悬浮导轨实验台，用计算机仿真研究了一自由度模型和五自由度模型的柔度与频率响应关系。t a k es h im iz u r l o 等人在19 9 8 年提出了一种具有磁悬浮导轨的自动线运载装置模型。2 0 0 0 年，m a r linr u s k o w s k i 等人就该试验台建立了非线性数学模型，并在2 0 0 2 年采用加速度测量和激光定位，提高了该主动磁悬浮支承导轨实验台的定位精度。国内在8 0 年代末期才正式启动磁浮列车的研究项目，经过中国铁道科学研究院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术进行了研究。19 9 6 年，我国第一台4 吨载人e m s 型磁浮列车研制成功，这标志着我国掌握了磁浮列车的关键技术。中国上海已于2 0 0 3 年建成世界第一条磁浮列车商业运营线，最高时速高达4 3 0 k m h 。在学术研究方面，1 9 8 8 年开始在瑞士苏黎世召开了第一届国际磁轴承会议( in t e r n a tio n a ls y m p o siu mo nm a g n e ticb e a r in g s ) 。19 91 年起，每两年召开一次国际磁悬浮轴承会议。目前较为活跃并处于领先地位的主要有瑞士联邦工学院( e t h ) 、美国m a r y la n d 大学、v ir g in ia 大学、日本东京大学和英国s u ss e x 大学等研究机构，以及法国s 2 m 、瑞士1b a g 、英国g la cie r 、美国a r co n 、m t i 、s a t c o i l 等生产厂家。1 4 永磁磁悬浮的研究历史和现状磁悬浮研究起源于永磁材料的出现。很早以前就有人设想利用永磁体的磁力，把转动或平动的机械部件悬浮起来，消除固体接触时所产生的摩擦阻力。当时受磁性材料性能的影响，悬浮力比较小，从而限制了它的应用，人们转向到对电磁悬浮的研究。然而点磁悬浮能耗高、体积大、控制复杂、因为人们一直都没有放弃对永磁悬浮的研究。19 6 8 年衫钴永磁研究成功，特别是8 0 年代以来，n d f e b 等高性能的稀土永磁材料急速商用化，使得永磁悬浮的研究又重新活跃起来。l9 7 8 年y o n n e t 教授首先证明了永磁悬浮轴承的承载力和刚度与永磁材料的径向还是轴向磁化无关，为永磁轴承的设计和材料的选用奠定了理论基础。19 81 年y o n n e t基于单元磁极藕合能量，用等效磁荷法建立了径向斥力型永磁轴承轴向力和轴向刚度的数学模型，并对钐钴永磁轴承进行了理论计算和试验。试验结果表明该数学模型理论值与试验结果的偏差仅为6 。19 91 年y o n n e t 等建立了轴向和径向旋转磁化环叠结构永磁轴承磁力和刚度的表5永磁轴承应用于立式轴流泵的设计达式。19 9 3 年，d k a g a n 研制出了仅用永磁体实现旋转物体悬浮的陀螺玩具( 名l e vit r o n ) ，r o n e d g e d 对永磁体实现稳定悬浮的机理提出了合理的解释。d e la m a r e 等于l9 9 5 年研究了两永磁体在不同充磁方向下构形，对指导永磁轴承的初步设计具有明显的意义。2 0 0 0 年后o h jit 设计了一个用于输送器的被动磁悬浮单元，并对转子三个方向的受力和轴心轨迹进行了试验研究，o h jit 还用有限元分析和试验研究了不均匀磁化对排斥型永磁轴承性能的影响。2 0 0 4 年a h a m le r 等提出了锥面结构的永磁轴承，其特点是使用轴向磁化永磁材料，能同时承受径向和轴向载荷。还有一些研究人员也对永磁悬浮进行了研究，如m a s a h id e ，o k a d a 等提出永磁型的动力磁悬浮轴承；m a rin es c um 运用表面电流模型研究了摄动法计算永磁轴承的刚度；b r a d 等建立了永磁轴承径向力和刚度的分析表达式。国内对永磁轴承的研究起步较晚。钟文定在八十年代出版的专著中对斥力型向心轴承的轴向力和径向刚度进行了分析。吉林大学谭庆昌等于19 9 4 年采用等效磁荷法研究了含四重积分的永磁向心轴承的承载能力及刚度，2 0 0 2 年，又运用等效磁荷理论研究了磁动压混合推力轴承的承载能力。赵家文于19 9 6 年给出了永磁径向轴承、永磁轴向轴承和永磁向心力推力轴承三种结构。李宏穆等于19 9 9 年对永磁轴向磁力轴承的悬浮力和刚度进行了实验研究。上海大学张恒等对径向永磁轴承尺寸优化设计做了探讨。合肥工业大学的杨志轶等采用有限元法分析了径向永磁轴承的力学特性。三峡大学汤双清等用虚功原理法和虚功原理对应的有限元法分析了径向永磁轴承的承载特性，并把它用于设计一种新型飞轮电池。沈阳工业大学王凤翔等把永磁轴承用于无刷直流电机，分析了这种磁轴承的轴向承载力和径向刚度，并探讨了由两个这样的轴承组成的磁悬浮系统的轴向稳定性。天津大学的而研究人员也先后对径向永磁轴承的力学特性进行了数值分析和试验研究，对合理设计永磁轴承结构尺寸提出了指导性意见。天津大学朱珈等提出了一种新型的双环径向永磁轴承，并把这种磁轴承用于一种磁气混合喷漆涡轮上。江苏大学钱坤喜等研制了由两个大小不同、充磁方向相同的同心磁环构成的永磁轴承，并把这种永磁轴承用于叶轮全人工心脏的设计，实验取得了成功。沈洁采用虚功原理有限元法对永磁推力轴承悬浮力进行分析和计算。2 0 0 6 年报道由广州能源所、广州中科恒源能源科技有限公司和兰州环优磁机电有限责任公司共同研发的全球首台全永磁悬浮风力发电机在国内研制成功，加装了不带任何控制系统的全永磁悬浮风力发电机输出功率可提高2 0 以上；2 0 0 7 年报道全永磁悬浮列车试验线在大连投入试运行。2 0 0 86兰州理工大字帧t 学位论文年西安理工大学田录林结合稀土永磁材料特性及永磁轴承和导轨的结构特点，采用线性叠加原理、保角变换法、等效磁荷法、虚功原理法、镜像法、直接积分法及这些方法的不同组合对永磁轴承和导轨的显式磁力解析模型进行了研究。1 5 磁悬浮支承优劣及面临的技术难题磁悬浮支承按磁场力的来源分为永磁支承、电磁支承和混合制成；按磁场力是否可以受控分为被动型和主动型；按磁场力类型分为吸力型和斥力型。1 ) 主动磁悬浮支承又称有源磁悬浮支承，是通过控制电磁力来实现悬浮的；2 ) 被动磁悬浮支承，是通过永磁铁或超导体的磁力实现部分或全部自由度的悬浮；3 ) 混合磁悬浮支承，其结构中既含有电磁铁，又有永磁铁或超导体。电磁支承最大优点是能够提供可变刚度和阻尼的悬浮支承，因此可以承受较大的动载荷，有较强的运动稳定性。但它本身为一不稳定系统，必须由快速响应的反馈系统加以控制，才能实现稳定悬浮。这类支承存在几个方面的不足，其一是它必须安装多个造价不菲的传感器，一旦有一个传感器失效，就不能正常支承，从而降低了系统的可靠性；其二是由于控制线圈激励功率大，连续消耗电能，降低了效率；其三是需要高品质的控制器和高性能的功率放大器，增加了系统的复杂性及系统失效的可能性，导致支承系统体积较大，临界转速降低，妨碍了高速下的大容量化，动态响应也慢，数目众多的电子器件降低了系统可靠性。由于铁磁材料的非线性，功率放大器的输出电压饱和，以及高速时不平衡引起的同步扰动等因素，使得它的控制具有很大挑战性。所有这些使系统程序复杂、成本增加、可靠性降低。超导磁支承是由永磁体和高温超导体构成的。利用超导体的完全抗磁性来提供静态悬浮力，利用磁通钉扎性提供稳定力，从而实现稳定的磁悬浮。这类支承要附加一套液态氮或氦的制冷设备，才能确保超导体工作在临界温度以下，因而它对密封要求高，系统体积大、结构复杂、成本高，而且目前的超导磁力支承性能不太稳定，所以应用不太普遍。永磁磁力支承的主要特点是利用永磁体之间的吸力或斥力或永磁体与软磁体之间的吸力来支承负载的。永磁支承不需要激磁电流，不消耗电力，也无需供电系统，它价格低廉、结构简单紧凑、体积小、可靠性7永磁轴承应用于立式轴流泵的设计高、零响应时间、环保。但是仅由永磁材料构成的悬浮系统稳定性相对较差。早在18 4 2 年，英国物理学家e a r n s h a w 就指出：单一靠永磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态，如果用其它力来约束其中一个自由度，则可实现稳定的悬浮状态n 。经过人们的大量的实验验证和理论分析，找出了实现永磁体稳定悬浮的方法，如利用抗磁性材料，陀螺力矩及在转轴两端安装能同时承受径向和轴向载荷的锥面结构永磁轴承可实现转轴的稳定悬浮。如江苏大学的钱坤喜教授在进行人工心脏血泵的研究过程中就利用了陀螺效应和非磁力参与永磁力场中转子的稳定悬浮。1 6 本文研究的主要内容1 ) 分析轴流泵导轴承载荷的特性及其计算2 ) h a lb a c h 阵列的永磁轴承在形式上是一种嵌套旋转磁化永磁环堆叠的结构。首先基于等效磁荷法对单对嵌套永磁环结构的数学建模方法分析，根据线性叠加原理建立单个波长的嵌套永磁环堆叠结构的数学模型；接着用分子电流法建立单个波长h a lb a c h 阵列磁体承载力的数学显式解析模型，并推导出刚度表达式。3 ) 推导及验证多个波长的h a lb a c h 阵列磁体承载力显式表达式及刚度表达式，结合h a lb a c h 磁体最优结构参数关系式，设计合适的磁体结构以满足h b m 型立式轴流泵主轴径向所需的磁力、刚度等指标。8兰州理工大学硕士学位论文第2 章立式轴流泵导轴承载荷计算我国低扬程大型水泵站绝大部分采用立式轴流泵机组，按其工作原理，机组转动部分不受径向力作用，水泵导轴承载荷为零。但在实际应用中由于设计制造、安装施工等不可避免地存在误差及某些结构问题，转动部分常受径向力作用，水泵导轴承起着承受径向力、稳定叶轮转动的作用，是水泵重要的易损部件，影响水泵的可靠性和耐久性。立式水泵机组导轴承的载荷主要由电机不平衡磁拉力、转动部件偏心质量旋转惯性离心力和过流能力不平衡引起n 朝。2 1 电机空间气隙不对称情况平衡磁拉力。姜培林n 盯提供了不平衡磁拉力解析计算式：e _ 掣 筹，式中：a 一三腼面丽扣1 可+ 万b 一黑日d 一定子铁芯高度z 一气隙平均磁通密度。也、r 一定子内径半径和转子外径半径鳓一空气磁导率e 一转子偏心距，其最大允许值为0 0 56 ( 6 为电机平均空气气隙值)e 引起的泵导轴承径向力为：re 一争e( 2 2 )厶式中：l 、t 一分别为电机上导轴承至水导轴承和转子中心的高度9永磁轴承应用于立式轴流泵的设计2 2 转动部件质心偏离转动中心情况2 2 1 轴线偏心如图2 1 所示，以电机上导轴承中心为原点，建立垂直向下的主轴为o z 轴的直角坐标系，机组轴线上任一点在水平面内的偏心距，一，( z ) ，矢径，与x 轴夹角为口o ) 。假设轴线均质，单位轴长质量为朋o ，主轴转动角速度为。主轴偏心造成的径向力分量、合力大小及与x 轴正向夹角分别为：民一智o ) 删( z ) d zf 2 ym 智刀泓i i l 口。膨疋一雨e - 智万( z ) c o s 口( z ( 2 - 3 )式中：厶一电机上导轴承到叶轮中心的轴长。图2 1 立式轴流泵转子结构1 0兰州理工大学硕士学位论文2 2 2 电机转子质心偏心由于轴线摆动、磁极不对称、磁轭材质不均匀及温度场不对称等因素造成转子质心偏心。通常，转子可能的最大偏心质量离心力其值为转子质量的0 5 一2 5 ，即e - ( 0 5 一2 5 ) 肌：g( 2 - 4 )式中：m ，一转子质量g 一重力加速度；系数的取值，低速机组取小值，高速机组取大值。2 2 3 水泵叶轮质心偏心叶轮偏心质量惯性离心力引起的径向分力为：只，譬矿册，( 2 - 5 )式中：小。一为叶轮质量一叶轮质心偏离转动中心的距离；2 3 横向水力不平衡力情况2 3 1 泵轴绕流阻力立式水泵一般采用弯管出水，弯管圆心角根据需要确定，常采用石2 r a d 或万3 r a d 。当没有采用护管时，则弯管内泵轴裸露受出水绕流阻力的作用，从而产生径向分力。设弯管中心线弯曲半径为r ，泵轴外径为d ，弯管内水流速度为屹，泵上导轴承中部至弯管起始断面的高度为厶，泵轴绕流长度为，取距离弯管起始断面为y ( 对应弯管圆心角为口) 处微段泵轴d y 。文献n 推导出绕流阻力引起的导轴承径向力为：e 一笔学呜= 簪卜一l ，卜一r 一受，卜三k 一霹h 僻+ 霉，】_ 霹t n r c 2 删1 1永磁轴承应用于立式轴流泵的设计式中：p 一常温下水的密度c d 一泵轴绕流阻力系数，由相关c d r 曲线查取；2 3 2 水泵叶片角度不等因素在实际的机组中，由于组装误差或者叶片形状本身的误差存在，使得水泵叶轮叶片角度和水力性能不等，将所有叶片周向水流阻力向泵轴轴心简化，除水力阻力矩外，还存在垂直于轴线的径向水力不平衡力，该力为所有叶片周向水流阻力的矢量和，即：咒2 善己式中：m 一叶轮叶片数圪一第f 枚叶片水流周向阻力；已与圪“( i - 1 ，2 ，朋一1 ) 夹角为妨朋。圪计算方法如下：已知水泵扬程为日，第f 枚叶片安放角度为届，认为己为同一泵扬程下所有叶片安放角度都为屈时的单枚叶片的阻力，即圪一击* 赢6 0 两t m n 可式中： 一泵水力功率一为轴功率，可由该泵性能曲线查得一泵机械效率，r 1 = 0 9 5 0 9 7苊一水泵转速r 、r 、r 一叶轮半径、轮毂半径及平均半径。显然，角度大的叶片兄亦大。蝇引起的径向力为：瓦一争屹( 2 7 )2 3 3 叶轮非对称来流从设计角度考虑，轴流泵叶轮要求来流轴向均匀。但由于流道设计受到环境条件的局限性和施工误差等原因，叶轮来流往往非轴对称，水泵单枚叶片受水流周向阻力为1 ：兰州理工大学硕士学位论文匕一等1刀l 刀o ( 2 - 8 )式中：q 一第f 枚叶片流量，当水泵为5 枚叶片，q = q 5 ，q 为水泵流量日；一第f 枚叶片扬程，计算可用作水泵扬程叼肿一水泵机械效率，7 日一为水泵水力效率r 一叶轮平均半径，近似取叶轮与轮毂半径的平均值；根据五孔探针针对大型水泵叶轮来流流场测定n 和数值计算与理论分析心们，采用肘形进水流道时，由于水流不对称引起相对面两枚叶片水力阻力差约为平均单枚叶片阻力的3 4 左右n8 1 ，则该不平衡力与处于垂直位置的另外两枚相对面叶片的不平衡力合成，即为不对称来流作用于叶轮总的不平衡力，其值为：