本文是一篇工程硕士论文，本文主要工作是结合理论分析、有限元仿真分析、Magnet-Simulink 联合仿真分析与实验分析对十二极异极径向混合磁悬浮轴承的结构参数设计、电磁场分析、耦合、支承特性、功耗以及结构动刚度展开了研究。
第 1 章 绪论
1.1 电磁轴承技术的研究现状
在现代科技飞速发展的今天，工业生产对电机转速的需求与要求日益提升。但随着转速的提升，传统机械轴承的磨损增大且发热严重。因此工业界针对传统机械轴承使用寿命与可靠性降低的问题，提出了利用电磁轴承代替传统机械轴承的方法。电磁轴承利用电磁力平衡转子重力，具有寿命长、机械摩擦小、污染小等优点[1-4]。
1.1.1 电磁轴承的分类
电磁轴承按照磁场的产生方式不同可以分为：
主动磁悬浮轴承：如图 1.1 所示，主动磁悬浮系统是由转子、定子、线圈绕组、控制器、位移传感器以及功率放大器等构成。在主动磁悬浮系统工作时，控制器根据转子位移的变化相应调节电流的大小，保证转子悬浮在平衡位置。主动磁悬浮轴承由于结构简单且控制方便的优点应用广泛，但其控制磁场与偏置磁场均由绕组线圈提供，所以功耗相对较大[5]。
被动磁悬浮轴承：被动磁轴承相比于主动磁悬浮轴承的功耗较小，该结构通过永磁体或超导材料提供磁通，继而产生吸力或斥力平衡转子的重力，实现转子不同自由度的运动。但由于被动磁轴承不需要主动控制，一般情况下需要与主动磁悬浮轴承搭配使用，才能实现转子的稳定悬浮。所以此类轴承承载力较小、控制精度不高、应用范围有限[6][7]。
混合磁悬浮轴承：混合磁悬浮轴承依据功能的不同可以分为轴向混合磁悬浮轴承、径向混合磁悬浮轴承以及轴向-径向混合磁悬浮轴承；依据偏置磁场极性的不同可以分为同极混合磁悬浮轴承与异极混合磁悬浮轴承。依据控制磁场在气隙中的分布情况可以分为全气隙悬浮型与半气隙悬浮型[8-10]。混合磁悬浮轴承将主动磁悬浮轴承与被动磁悬浮轴承的优势与特点相结合，其偏置磁通通过永磁体产生，而绕组线圈仅需负责提供控制磁通，具有漏磁较小、承载力大、功耗低的优点，并且日益广泛的应用于鼓风机、超高速机床、超高速离心机、压缩机、飞轮储能、人工心脏等领域[11-16]。
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1.2 混合磁悬浮轴承的研究现状
主动电磁轴承利用线圈绕组提供偏置磁场，但功耗相对较大。在日常的工业生产中，成本的节约十分重要。混合磁悬浮通过永磁体代替线圈绕组提供偏置磁通，因此混合磁悬浮轴承的功耗、体积与重量相比于主动磁悬浮轴承明显降低，并且承载能力与系统稳定性有效提高。众多科研人员在上世纪六七十年代就开始对其进行研究，但由于受永磁材料技术发展的局限，混合磁悬浮轴承的在功耗与体积方面改善并不明显。而在高磁能积永磁材料的出现后，混合磁悬浮轴承技术高速发展，同时相关理论也不断完善[35-39]。
1.2.1 同极混合磁悬浮轴承的研究现状
目前在国内外对同极永磁混合磁悬浮轴承的研究中，梅磊等介绍了一种同极性永磁偏置混合磁悬浮轴承，基于等效磁路法对结构参数进行了优化设计，最终通过实验验证了其结构模型工作原理的正确性[40][41]。朱熀秋等基于三自由度六极混合磁悬浮轴承的等效磁路模型进行了结构优化设计，且开展了线性/非线性自抗扰切换解耦控制的研究[42-44]。Tatsuya Matsuzaki 等将辅助永磁体嵌入进四极同极性混合磁悬浮轴承的径向绕组槽中，并进行了有限元仿真分析。仿真分析结果表明，嵌入辅助永磁体的四极同极性径向混合磁悬浮轴承相比于原结构，铁损明显减少[45]。Flur R. Ismagilov 等设计了一种同极性电磁轴承结构，并通过有限元仿真分析证明了该结构减小了同极混合磁悬浮轴承的轴向长度、定子铁心磁饱和的影响和永磁体的损耗[46]。文献[47]提出了一种新的基于神经网络逆和 2 自由度内部模型控制方法的直接驱动主轴系统中 4-DOF PMBAMB 的解耦控制方案。实验结果证明了该控制方案的有效性。禹春敏等介绍了并分析一种轴向-径向混合磁悬浮轴承结构，基于等效磁路法建立了考虑漏磁在内的精磁路模型，并对其刚度、承载力等进行了有限元仿真分析、理论分析和实验分析。实验结果表明结构能够实现转子在0 ~ 24 000r/ min转速下的稳定悬浮[48]。黄峰等通过等效磁路法分析了混合磁悬浮轴承的承载力数学模型,并进行了有限元仿真分析。仿真结果表明，增大永磁体内部磁动势可以增大混合磁悬浮轴承的承载力、提高稳定性、减小功耗。且偏置磁通大于混合磁轴承饱和磁通的二分之一时,其承载力达到最大[49]。文献[50]通过建立改进的简化粒子群算法优化最小二乘支持向量机位移预测模型，实现了磁轴承转子位移的自监测，且仿真结果验证了所提出方法的可行性。李万杰等将径向超导磁轴承与轴向电磁轴承集成一体，提出了一种用于超导飞轮储能系统中支撑飞轮转子的新型混合磁悬浮轴承结构设计，制作了原理样机。
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第 2 章 十二极异极径向混合磁悬浮轴承的结构参数设计与等效磁路模型分析
2.1 异极径向混合磁悬浮轴承的基本结构
文献[58]中介绍了八极异极径向混合磁悬浮轴承拓扑结构一，其基本结构与磁路分布如图 2.1 所示。异极径向混合磁悬浮轴承拓扑结构一的定子具有 8 个磁极，且 4 个控制磁极与 4 个嵌入块式永磁体的磁极按 NS 极的顺序交错排列。为了减小涡流和磁滞的影响，定子和转子铁芯均采用硅钢片压叠而成。但块状永磁体需要嵌入定子 4 个突出磁极中，磁极表面积较小且定子需采用线切割的方式，所以加工难度较大，加工工艺要求较高，结构安装较为困难。
工作原理：永磁体产生偏置磁通经永磁磁极、气隙、转子铁心、控制磁极及定子磁轭形成闭合回路。控制绕组产生的控制磁通则经定子磁轭、控制磁极、气隙与转子铁心闭合。当转子铁心悬浮在平衡位置时，其受到的合力为零，则气隙中偏置磁通密度相等。当转子铁心受到水平向右的冲击力时，由于左右气隙不对称，导致右侧气隙中偏置磁通密度大于左侧气隙中偏置磁通密度。控制绕组则产生相应的控制磁通，使转子铁心左侧气隙中的磁通增大，右侧气隙中的磁通减小，产生一个水平向左的吸力，将转子拉回到平衡位置。但该结构的四个永磁磁极无法实现主动控制，当转子相对平衡位置偏移时，控制磁极上需要产生较大的控制力去平衡永磁磁极上的被动电磁拉力。此外，该结构的控制磁通与偏置磁通存在相互抵消的问题，导致了该结构主承载力降低、励磁功耗增加和耦合增大。
图 2.1 异极径向混合磁悬浮轴承拓扑结构一的基本结构与磁路分布图
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2.2 十二极异极径向磁悬浮轴承的基本结构与工作原理
本文基于现有文献中对混合磁悬浮轴承的研究，设计了一种十二极异极径向混合磁悬浮轴承结构。如图 2.3 所示，十二极异极径向混合磁悬浮轴承由定子、控制绕组、转子铁心（为了方便有限元仿真分析，此处将转子铁心与转轴视为一个整体）以及块状的永磁体组成。在十二极异极径向混合磁悬浮轴承结构中，定子与转子铁心均采用硅钢片叠压而成，从而达到减少磁滞与涡流损耗的目的。其中定子中绕有相同匝数线圈的 12 个控制磁极按空间对称布置，形成了 NS 极交替变化的磁极排列，其中na 、nc (n=1,2,3)分别为定子垂直方向上的上下磁极，nb 、nd (n=1,2,3)分别为定子垂直方向上的左右磁极。此外，为十二极异极径向混合磁悬浮轴承提供偏置磁场的四个块状永磁体则均匀镶嵌在定子的磁轭处，因此其加工难度与装配难度均小于异极径向混合磁悬浮轴承拓扑结构一。
工作原理：当转子稳定悬浮在平衡位置时，永磁体产生的偏置磁通在两个相邻磁极之间流动。因此，在转子表面形成四个大小相同的偏置磁通，转子所受的合力为零。如果转子受到垂直向下的干扰力，转子则从中心位置向下移动。此时从定子下侧磁极与转子之间气隙减小，气隙中的偏置磁通密度增大。同时由于偏置磁通的不平衡，电磁力合力的方向向下，转子的位置相对于平衡位置下降。为了使转子恢复到平衡状态，必须对定子上侧的磁极施加一定大小的电流。此时，控制磁极产生的控制磁通从定子上侧磁极的 N 极流向两侧的 S 极，然后控制磁通从 S 极流回 N 极形成一个闭合回路，使转子受到垂直向上的电磁吸力。在控制器对电流的调节下，保证转子始终稳定悬浮在平衡位置。
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第 3 章 十二极异极径向混合磁悬浮轴承的 Magnet 仿真分析 ............................. 23
3.1 十二极异极径向混合磁悬浮轴承的电磁场仿真 ................................... 23
3.2 耦合分析 ....................................... 24
第 4 章 十二极异极径向混合磁悬浮轴承的 Magnet-Simulink 联合仿真 ......................... 36
4.1 Magnet-Simulink 联合仿真................................. 36
4.2 PID 控制器参数整定 .................................... 37
第 5 章 十二极异极径向混合磁悬浮轴承的实验研究 ............................ 50
5.1 实验介绍 ................................... 50
5.1.1 十二极异极径向混合磁悬浮轴承
