永磁軸承和導(dǎo)軌磁力解析模型的研究.pdf

1、永磁軸承和導(dǎo)軌是利用永磁材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)軸或平移物體懸浮起來的磁力機(jī)械,分別應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)和往復(fù)機(jī)器中。由于永磁軸承和導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、無摩擦、無能耗、無污染、壽命長(zhǎng),適用于高速、高精度機(jī)械以及真空和一些特殊場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn),它們?cè)谠S多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,因此,對(duì)其磁場(chǎng)及磁力的系統(tǒng)研究就顯得越來越重要。 目前,永磁懸浮支承的理論分析和設(shè)計(jì)還遠(yuǎn)不成熟。主要原因是已有研究多為針對(duì)雙環(huán)永磁軸承的研究,缺乏對(duì)永磁軸承新結(jié)

2、構(gòu)的研究；已有研究多為計(jì)算復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算模型,缺乏對(duì)永磁軸承磁力顯式解析模型的研究,無法真正指導(dǎo)永磁軸承和導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。因此,建立永磁軸承和導(dǎo)軌的磁力顯式解析模型對(duì)于指導(dǎo)永磁軸承和導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 解析模型是借助數(shù)學(xué)和物理概念來研究磁場(chǎng)及磁力的,并用完整的數(shù)學(xué)式表達(dá)。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合稀土永磁材料特性及永磁軸承和導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用線性疊加原理、保角變換法、等效磁荷法、磁路

3、法、虛功原理法、鏡像法、直接積分法及這些方法的不同組合,對(duì)永磁軸承和導(dǎo)軌的顯式磁力解析模型進(jìn)行了研究,并通過了ANYSIS10.0計(jì)算驗(yàn)證和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證,為指導(dǎo)永磁軸承和導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。主要工作如下： (1)采用保角變換法、等效磁荷法、磁路法、虛功原理法建立了徑向磁化雙環(huán)嵌套永磁軸承磁力顯式解析模型,并通過了實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證。 (2)基于分析一對(duì)永磁環(huán)間隙磁能及磁導(dǎo),結(jié)合稀土永磁材料特性和磁通連續(xù)原理,通過

4、虛功原理法,得出了軸向放置的雙環(huán)永磁軸承軸向和徑向磁力顯式解析模型,試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。 (3)設(shè)計(jì)了能充分利用磁能、具有較大承載力的徑向磁化多環(huán)嵌套永磁軸承新結(jié)構(gòu)；基于徑向磁化雙環(huán)嵌套永磁軸承磁力解析模型及徑向磁化多環(huán)嵌套永磁軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和線性疊加原理,建立了該型永磁軸承磁力解析模型,ANYSIS10.0計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。 (4)設(shè)計(jì)了具有較大承載力的軸向放置多環(huán)永磁軸承新結(jié)構(gòu),基于分析磁環(huán)氣隙磁導(dǎo)和稀

5、土永磁材料特性,采用虛功原理法得到了軸向放置的多環(huán)永磁軸承軸向和徑向磁力顯式解析模型。試驗(yàn)表明：模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本吻合。 (5)基于永磁體之間的磁共能及虛功原理,結(jié)合兩塊平行矩形截面永磁體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了兩塊平行矩形截面永磁體的磁力解析模型,模型適用于永磁懸浮導(dǎo)軌及軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算。試驗(yàn)表明：該模型具有較高的計(jì)算精度。 (6)根據(jù)電流鏡像法及永磁體等效電流模型,把鐵磁體被磁化的效果視為鐵磁體內(nèi)某處存在“虛設(shè)”永磁體產(chǎn)

6、生的磁場(chǎng),得到了永磁體在介質(zhì)分界面為平面的鐵磁體中的鏡像規(guī)律及精度較高且較簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)鏡像計(jì)算法,并對(duì)與平面鐵磁體粘合的一對(duì)永磁環(huán)及永磁-鐵磁導(dǎo)軌磁力計(jì)算值作了試驗(yàn)驗(yàn)證。 (7)基于兩塊平行矩形截面永磁體的磁力解析模型和永磁體在鐵磁體中的鏡像規(guī)律,結(jié)合永磁導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)特點(diǎn),得到了永磁導(dǎo)軌懸浮和導(dǎo)向磁力解析模型,實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了模型的可行性。 研究結(jié)果表明：永磁軸承和導(dǎo)軌的磁力大小與磁體剩磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比；磁力隨磁體橫向和縱