采用有限元法分析径向永磁轴承的力学特性

第24卷第4期合肥工业大学学报(自然科学版)V o l.24N o.4 2001年8月JOU RNAL O F H EFE I U N I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY A ug.2001采用有限元法分析径向永磁轴承的力学特性

杨志轶,　赵　韩,　田　杰,　杨　红

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥　230009)

摘　要:文章采用有限元法对径向永磁轴承的磁场分布进行了数值模拟分析,并就轴承结构参数对轴承特性的影响进行了

研究。研究结果表明,对于斥力型径向轴承,两磁环之间的轴向位移对轴承的承载力与刚度有明显影响;对于吸力型轴承,两

磁环之间的气隙选择至关重要。研究结论为径向永磁轴承的设计、优化与应用提供了科学依据。

关键词:径向永磁轴承;有限元;轴承承载力;轴承刚度

中图分类号:TH133.3 文献标识码:A 文章编号:100325060(2001)0520477205

Ana lysis of m echan ica l character istics of rad i a l permanen t

bear i ngs usi ng f i n ite elem en t m ethod

YAN G Zh i2yi,　ZHAO H an,　T I AN J ie,　YAN G Hong

(Schoo l of M echanical and A utomobile Engineering,H efei U niversity of T echno logy,H efei230009,Ch ina)

Abstract:T he distribu ti on of m agnetic field of radial p erm anen t bearings is analyzed u sing fin ite ele2 m en t m ethod.T he influence of structu ral p aram eters on characteristics of bearings is studied.T he re2 su lts show that the ax ial disp lacem en t betw een tw o to ro idal p erm anen t m agnets has an influence upon the bearing cap acity and bearing stiffness of the rep u lsive typ e of radial p erm anen t bearings,and it is h igh ly i m po rtan t that the ax ial airgap of betw een tw o m agnets be co rrectly cho sen fo r the attractive typ e of radial p erm anen t bearings.T he ob tained resu lts can be u sed as a scien tific basis fo r the de2 sign,op ti m izati on and app licati on of radial p erm anen t bearings.

Key words:radial p erm anen t bearing;fin ite elem en t m ethod;bearing cap acity;bearing stiffness

磁力轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空间,使转子与定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。与传统轴承相比,磁力轴承具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑及无油污染等优点,特别适用高速、真空、超净等特殊环境,可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、飞轮储能、转子动力学特性辨识与测试等领域,被公认为极有前途的新型轴承。磁力轴承起源于永磁材料的出现,当时受材料性能的影响以及悬浮力较小限制了永磁轴承的应用,人们转向主动式电磁轴承的研究。1968年钐钴永磁的研究成功,到最近几年各种高性能的稀土永磁材料的急速商用化,而且永磁轴承具有体积小、结构简单、可靠性高和无能量消耗等优点,因此在航空、仪表、化工等许多领域中都具有其独

收稿日期:2001204204

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975027)

作者简介:杨志轶(1974-),男,安徽宿松人,合肥工业大学博士生;

赵　韩(1957-),男,安徽滁州人,合肥工业大学教授,丹麦奥尔堡大学博士,博士生导师.

特的应用场合。

永磁轴承是由动、静两磁环组成,利用磁性材料同性相斥、异性相吸的原理,使动磁环悬浮于静磁环中,保证旋转时动、静磁环不相接触,从而可大大降低运动摩擦阻力。轴承的承载能力与刚度是永磁轴承最重要的性能指标,文献[1,2]忽略轴承磁环的曲率以及磁体间的相互退磁作用,将两磁环之间的相互作用等效为2个无限长磁体的相互作用,采用等效磁荷的方法进行承载力计算。文献[3]在圆环状态下采用等效磁荷的方法对轴承承载力与刚度进行计算。这些方法都无法给出磁场的分布状态,不利于探索改善磁场分布,以提高永磁轴承承载能力与系统稳定性的方法。目前,有限元方法是最有效、应用最普遍的一种数值方法。基于以上考虑,作者采用有限元法对径向永磁轴承的磁场分布以及结构参数对轴承特性的影响进行了研究,这不仅可以在一定程度上预测磁场分布、估计轴承性能、计算承载力大小,而且可以对永磁轴承的优化设计与相关参数提出定量的指导建议。

1　径向永磁轴承的基本磁路结构

根据永磁轴承两磁环的磁化方向及相对位置的不同,永磁轴承有多种磁路结构[4]

。对于径向永磁推力轴承,可以由轴向或径向磁化环做成吸力型或斥力型磁轴承,如图1所示。图1　径向永磁轴承基本磁路结构

为减小几何结构尺寸、提高轴承的承载能力与支承刚度,永磁磁化环均采用高磁性能的钕铁硼稀土永磁材料。此外,还可以通过调整几何尺寸或采用多对磁化环来提高轴承的承载能力与支承刚度。根据轴承的轴对称结构特点,以及磁性材料B 2H 关系的非线性,研究可归结为求解轴对称的非线性稳定磁场分布及其磁体在该磁场中所受磁力大小的问题。

2　有限元分析与计算

由于磁环的磁化方向对轴承的承载能力与刚度都没有影响[3],因此本文仅对图1中径向磁化斥力型与轴向磁化吸力型这两种永磁轴承进行研究。当动、静两磁环共轴时,径向永磁轴承处于轴对称磁场中,其相应的计算场域是一个轴对称场域,即图2中roz 坐标系中的第一象限部分。除了对永磁轴承建立模型外,还需对环绕永磁轴承的空气介质建立建模。选择矢量磁位A 作求解函数。由于计算区域内有

非线性的磁性材料,矢量磁位A 满足准泊松方程定解问题[5]。即8:55r (1Λr 5(r A )5r )+55z (1Λr 5(r A )5z

)=-J c S 1:r A S 1=常量S 2:1r 5(r A )n S 2=q

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