径向磁力轴承的温度场分析与计算

业 出版 社 ． ０ １ ２０． 段海波， 枚． 气机 叶片罩量优化 的数学模型研究 ［ ． 马 压 Ｃ］
３ 结 论
本 文 利 用 ＡＮＳ ＹＳ 作 为 计 算 分 析 平 台 ． 开 发 了 航 发 叶 片 有 限 元 建 模 与 罩 量 优 化 设 计 系 统 ． 系 统 可 以 该 快 速 实现 叶 片 的有 限元 建模 、 量 调 整 以及 罩 量优 化 罩
鲁＝ 軎【 ） Ａ ＋ ， 軎 誓
表 １ 径 向轴 承 的主 要参 数
（ ２ ）
△尸ｌ Ｆ Ｐ ＝Ａ
△Ｐｃ
（ ４）
径 向磁 力轴 承 的 定 子一 般 是 采用 叠 片式 硅 钢 片 ，
当铁芯 中 的磁通 密度 发生 变化 时会 产生 涡流 。分 层铁
本 文 主 要 研 究 径 向 磁 力 轴 承 的 温 度 场 分 布 ．所 研
对 称 ， 料 物 性 参 数 取 常 数 ， 等 式 右 边 第 二 项 为 ０， 材 故 三 维方 程简 化为 二维 方程 ． ： 即
ｐｃ
Ｐ 线 圈 电 阻 率 ， ｃ为 Ｑｍ ； 为 绕 线 槽 １ 横 截 面 积 ， ； ４ ２ ｔ ｍ Ｋ
为 面 积 系 数 ； 为 匝 数 ； 为 电 流 Ａ 。 磁 力 轴 承 的铁 损 △ 主 要 南 涡 流 损 耗 △尸 ｗ和 磁 滞 损耗 Ａ ｃ 成 ： Ｐ 组
蔡 肇 云 ， 六 周 ． 空 发 动 机 强 度 设 计 、 验 手 册（ 用 本） 金 航 试 试
一
代 曲 线 如 图 ６所 示 。 叶 片 的 初 始 最 大 等 效 应 力 为 ２ ７８ ａ 优 化 后 降 为 ｌ ５５ ＭＰ ， 降 低 幅 度 为 ２ ．ＭＰ ， ８ ．３ ａ
１ ．６ 。 由 此 可 见 ， 量 优 化 可 以 有 效 降 低 叶 片 内 部 ８５ ％ 罩 应 力 ， 时 也 证 明 了 该 系 统 在 罩 量 优 化 设 计 方 面 的 有 同
布 ， 用 ＨＹ一 ９ ８ 利 ２ ８ Ｇ红 外 热像 仪 测量 了径 向磁 力 轴 承 的 温度 场 分布 ， 实验 测值 与分 析 所 得 温 度 值 基 本 相 符 。 径 向磁 力轴 为
承 的 热 设 计 及 总 体 结 构 设 计 提 供 了 重 要 依 据
关键 词 ： 力轴 承 ＡＮＳ 磁 ＹＳ 温 度场 中 图分 类 号 ： ＴＨｌ ３３：Ｇ１ ５ ３ ． Ｔ １ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ０ ９ ８ ２ １ １ ６—０ ８— ４ １ ０ —４ ９ ｆ０ １０ ０１ ０
△
设 计 。工 程算 例 表 明 ， 系 统 界 面 操作 简 单 ， 用 方 该 使 便 ， 以 有 效 地 提 高 用 户 的 叶 片 强 度 计 算 效 率 和 罩 量 可
优 化设 计效 果 ， 有较 强 的实际 问题处 理 能力 。 具
（ 辑 日 月 ） 编
ｆ ２１ 囹 ０／ １６
老 化 ， 命 降低很 快 。（ ） 子热 膨胀 和传 感器 温漂会 寿 ３转
影 响 磁 力 轴 承 系 统 的 动 态 特 性 。 鉴 于 磁 力 轴 承 的 发 热
１Ｊ
体 的 典 型 机 电 一 体 化 产 品 ． 传 统 轴 承 相 比 ， 有 如 与 它
下 优 点 ： 接 触 、 润 滑 ， 全 消 除 了 磨 损 。 因 此 ． 力 无 无 完 磁
柱 面 坐 标 系 就 是 平 面 极 坐 标 系 加 上 Ｚ 轴 。 ｒ 为 、 空 间 一 点 在 ＸＯＹ 面 上 的 投 影 ， ０≤ ｒ ＋∞ ， ≤ ≤ ２ ＂ ≤ ０ １， ｒ
一
∞
＜ ｚ＜ ＋ 。 。 。
式 中 ： 丁为 时 间 ； ｛ ＝ ０时 ， 就 为 此 时 环 境 温 度 ； 为 材 ｔ ｐ 料 密 度 ； 为 导 热 系 数 ；ｃ 为 材 料 的 比 热 容 ； 为 发 热 Ａ 源 ． 电磁 轴 承 损 耗 。 即 等 式 左 边 是 单 位 时 间 内 微 元 体 热 力 学 能 的 增 量 （ 稳 态 项 ） 等 式 右 边 的 前 ３项 之 和 是 通 过 界 面 的 导 非 ，
机械制造 ４ 卷 第 ５２ ９ ６期
ｐ ｝ Ａ 击 参 ） ｃ 軎（等卜 鲁＝ ｒ
＋
２． ２
径 向 磁 力 轴 承 的 结 构 及 其 热 源 分 布
以径 向磁 力轴 承为 研究 对象 ， 结 构包 括转 子 、 其 定
軎 誓 ） ＋
（ １ ）
子 。 磁 力 轴 承 中 的 发 热 主 要 有 机 械 损 耗 、 损 耗 、 损 铁 铜 耗 和 附加损 耗 。本文 主 要考虑 铜损 耗 和铁损 耗 。 磁 力 轴 承 中 的 发 热 主 要 由 铜 损 耗 和 铁 损 耗 两 部 分 组 成 ，。 磁 力 轴 承 空 载 时 ， 圈 消 耗 电 流 产 生 热 量 是 ８ １ 线 磁 力 轴 承 部 件 温 升 的 主 要 原 因 。把 这 种 能 量 的 消 耗 称
— —
磁 极 对 数／ 极 线 圈 匝 数／ 匝
线 圈 的 线 径／ ｍ ａ ｒ
８ １２ ９
Ｏ７ ５ ．１
承
等 优 点 ， 及 在 大 型 磁 轴 承 系 统 中制 作 叠 片 转 子 困 难 ， 以 实 心 转 子 得 到 广 泛 应 用 ［ 。但 转 子 为 实 心 时 ， 产 生 的 ９ ］ 所
效 性 。
叶 片强 度 与振 动 计 算 ｆ ］ 北 京 ： 三 机 械 工 业 部 第 六 研 Ｚ． 第
究 院 １ ８ ． ９１
《 空 发 动 机 设 计 手 册 》 编 委 会 ． 航 空 发 动 机 设 计 手 航 总 《
册》 １ ： 第 ８册 叶片 轮 盘 及 主 轴 强 度 分 析 ［ ． 京： 空 工 Ｍ］北 航
可 能 使 定 子 和 转 子 间 的气 隙 变 小 ． 能 会 有 接 触 碰 撞 可
的 危 险 。 （ ） 热 会 对 系 统 的 可 靠 性 产 生 一 定 的影 响 。 ２发
｝湖 北 省 自然 科 学基 金重 点 资助 项 目 （ 号 ：０ ９ Ｄ ２ ） 编 ２０ Ｃ Ａ０ ８ 武 汉 市学 科 带 头 人 计划 项 目 （ 号：０ ９ １３ ５ ７ 编 ２０５８０５）
损 耗 影 响 了 系 统 的 性 能 和 应 用 范 围 ． 此 对 磁 力 轴 承 因 发 热 损 耗 的研 究 与 计 算 是 一 个 亟 待 解 决 的 问 题 川。
轴 承 寿 命 实 质 上 取 决 于 控 制 电 路 的 元 器 件 寿 命 ， 机 比
械 接 触 应 力 疲 劳 寿 命 要 长 得 多 ， 周 转 速 高 ， 对 转 圆 可 子 位置进 行精 确控 制 ， 承 刚度 和阻尼 可控 可调 。 轴 在 真 空 环 境 下 ， 力 轴 承 的 发 热 损 耗 主 要 由 铜 损 磁 耗 、 损 耗 两 部 分 组 成 ［ ， 热 损 耗 对 磁 力 轴 承 主 要 有 铁 ３ 发 ３ 以 下 几 方 面 的 影 响 ： １ 在 某 些 特 殊 场 合 ， 量 的 热 量 （ ） 大
１ 温 度 场 分 析
物 体 中 所 有 点 温 度 的 总 体 称 为 温 度 场 。 温 度 场 按
温 度 与 时 间 的 关 系 可 分 为 非 稳 态 和 稳 态 温 度 场 两 大 类 。在 非稳 态温 度场 中 ， 度 随时 问 和地点 而变 。 温 由 传 热 学 理 论 可 知 ． 力 轴 承 物 理 模 型 应 归 为 磁 在 一 定 初 始 条 件 、一 定 边 界 条 件 下 的 非 稳 态 热 传 导 。 文 中 所 研 究 的 径 向 磁 力 轴 承 （ 图 ｌ所 示 ） 一 个 圆 如 是
２ 径 向磁 力轴 承 的 热仿 真 分 析
２１ 温 度 场 分 析 的 理 论 方 法 ．
式 中 ： 为 切 向 力 ， Ｖ 为 切 向 速 度 ， ｓ Ｎ； ｍ／ 。
磁 滞 损 耗 主 要 是 通 过 磁 滞 同线 或 实 验 数 据 统 计 计 算 得 出 。 对 于 铁 材 料 ， 磁 通 密 度 在 ０２ ．Ｔ 时 。 算 当 ．～１５ 计
收 稿 日期 ：０ ０年 ｌ ２１ ２月
柱 体 ， 采 用 圆 柱 体 坐 标 系 。 根 据 傅 里 叶 定 律 和 能 量 故 守 恒 原理 ， 微 元体 导热 微分 方程 ： 得
００ 。 优 化 任 务 提 交 后 ， 代 过 程 稳 定 ， ．６ 迭 目标 函 数 的 迭
参 考 文 献
中 国 航 空 学 会 第 八 届 发 动 机 结 构 强 度 振 动 学术 会 议 论 文 集． 西安 ： 北 工业 大学 出版 社 ， ９ ６ ８ — ３ 西 １９ ：０ ８ ．
杨军 刚． 力载荷 作用下 的结构 拓扑形 状联合 优化 『 ． 压 Ｄ１
西 安 ： 北 工 业 大 学 ． ０ ９ 西 ２０．
究 的 径 向 磁 力 轴 承 的 具 体 参 数 如 表 １所 示 。
芯 中 的损 耗 可 按 下 式 计 算 ：
Ａ Ｐ￣ ＝ｋ
．
Ｂ
Ｆ ｅ
（ ５）
参 数 名
定 子外 径 ／ ｍ ａ ｒ 定子 内径 ／ ｒ ｕ ｔｎ 转子外径／ｍ ａ ｒ 径 向 轴 转 子 内径 ／ ｍ ａ ｒ
径 向 磁 力 轴 承 的 场 分 析 与 计 算 ｌ 皿度 日
口 辛 露 口 吴 华春
武汉 ４０７ ３００ 武汉 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院
摘 要 ： 力轴 承 一 般 都 安 装在 密封 的 壳体 内 ， 风 和散 热 条件 差 ， 磁 通 系统 温度 过 高会 导 致 转 子 部件 热 膨 胀 ． 生热 应 产 力 或 改 变磁 力轴 承 定 子 与 转子 间的 间 隙 ， 而 降低 系统 的 可 靠性 。 用 Ａ Ｓ Ｓ热 分析 模 块 对 径 向磁 力 轴 承进 行 温度 场 数 从 采 ＮＹ 值 分析 ， 考 虑传 导和 对 流 的 传 热 方 式基 础 上 ， 立径 向磁 力轴 承 热 态 分析 有 限 元模 型 ， 到 了径 向磁 力轴 承 的温 度 场 分 在 建 得
磁 力 轴 承是 利 用 磁 场 力 将 转 子 稳 定 悬 浮起 来 且
轴 心 位 置 可 甫控 制 系 统 控 制 的 一 种 新 型 轴 承 ， 集 是 机 械 学 、 学 、 制 理 论 、 磁 学 、 算 机 科 学 等 于 一 力 控 电 计
当 介 质 温 度 超 过 其 许 可 工 作 温 度 时 。 缘 材 料 将 急 剧 绝
涡 流 很 大 ， 涡 流 将 通 过 磁 场 作 用 产 生 切 向 力 ． 切 向 此 此 力将 产 生磁 阻尼 。 起 能量 损耗 ： 引
ＡＪＩ Ｖ Ｐ： （ ６）
线 圈 导 线 截 面 积／１ ｎ ｍ
定 子 与 转 子 的 间 隙／ ｍ ａ ｒ
Ｏ４ ．
０３ －
为铜 损 。 发 热可 用下 式计 算 ： 其
＝
，
（பைடு நூலகம்
。
（ ３）
式 中 ：
为损 耗 功 率 ， ； Ｗ Ｚ 为 每 匝 线 圈 平 均 长 度 ， Ｉ ｎ；
热 而 使 微 元 体 在 单 位 时 间 内 增 加 的 能 量 （ 散 项 ） 扩 。 温 度 场 模 型 中 ，根 据 材 料 物 性 参 数 及 传 热 情 况 轴
参 数值
１Ｏ ｌ ５ ５ ５． ４４ ３ ２
式 中 ： 为 涡 流 损 耗 修 正 系 数 ｉ 为 重 复 磁 化 频 率 ，～； ｓ
一
为 最 大 磁 通 量 密 度 或 磁 通 密 度 幅 值 ， Ｖ 为 其 磁 Ｔ；
化总体 积 ． 。 ｍ。
当 径 向 轴 承 中转 子 结 构 为 叠 片 时 ， 流 损 耗 很 小 。 涡 但 由 于 非 叠 片 （ 心 ） 子 具 有 造 价 低 、 材 料 强 度 高 实 转 且