微型抗磁轴承特性的研究

题名:微型抗磁轴承特性的研究
作者:陈杰宇
学位授予单位:上海交通大学
关键词:抗磁悬浮;;MEMS;;轴承;;转子动力学
摘要:
 微机电系统(Micro Electromechanical System, MEMS)是包含电子元件和其它微型实体(
包括机械、热、磁、流体、光学、化学、生物元件等)的集传感器、执行器、信号处理、通信、接
口、控制电路以及电源于一体的系统。典型MEMS器件的特征尺寸大约在1μm～1cm之间,这种微型化
的特点使得很多在宏观尺度上无法应Neodymium Magnets用的物理原理在微观尺度上找到了实现的可能性,常温无源式
抗磁悬浮就是其中之一。
 抗磁材料是磁化率为负值的磁性材料,包括金、银、铜、铅,石墨、水、
有机化合物等。根据Earnshaw定理,铁磁材料以及顺磁材料之间的作用力不足以独立实现稳定的磁
悬浮。若引入抗磁材料,利用其对外磁场轻微的抵制作用,则可实现常温下的无源稳定磁悬浮。抗磁
悬浮原理虽然在一些高精密的科学传感器中有应用,但由于抗磁材料的磁性过于微弱,无法提供足够
的承载力,在轴承中的应用还尚未涉及。根据电磁力的尺度效应分析可知,永磁体磁场梯度随系统特
征尺度的减小而反比增大,由于http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets抗磁效应正比于磁场的梯度,抗磁悬浮得益于MEMS微小化的特点,可
为微机械结构提供简单有效的支撑方法。
 微型抗磁轴承的研究涉及到电磁理论、材料科学、工
程设计、加工工艺等多个学科,具有丰富的内涵,为微机电系统轴承的设计提供了一条新思路。本文
以建立微型抗磁轴承基本设计理论体系为目标,主要研究内容包括:
 (1)在抗磁悬浮原理微尺
度有效性论证的基础上,研究了适应微系统加工工艺的微型抗磁轴承基本设计方案,并根据磁场能量
理论的计算结果,研究了轴承设计参数对轴承承载力以及动力学参数的影响,探讨了实现轴承稳定悬
浮的条件,提出了微型抗磁轴承优化设计的方案;
 (2)抗磁轴承的非接触式结构需要非接触式
的阻尼减振方式,可行的方案包括气膜阻尼以及电涡流阻尼。对于电涡流阻尼,本文根据抗磁轴承的
结构特性,采用薄板近似模型以及镜像法建立了轴承电涡流的模型,分析了转子轴向、径向以及倾角
方向电磁阻尼的特性,探讨了电涡流阻尼对轴承旋转损耗的影响,通过与气膜阻尼的比较,论证了电
涡流阻尼器在微型抗磁轴承中应用的可行性。
 (3)在对微型抗磁轴承动力学参数分析的基
础上,建立了轴承的转子动力学模型,分析了不同工况和设计方案下的轴承动力学特性,提出了改进
轴承动态稳定性的方案。
 (4)针对非理想加工条件引起的抗磁轴承磁偏心进行了研究,探讨了永磁
体的不对称磁化以及抗磁材料磁性不均匀对轴承性能的影响,并分析了轴承的旋转损耗特性。

(5)对抗磁轴承的基本振动特性进行实验研究。
 微型抗磁轴承适应于MEMS准平面加工的特性
,与传统的轴承方案相比,抗磁轴承充分利用了MEMS微小化的特点,具有方法简单、对工作环境要求
低的优点,并可与其它轴承方案结合,拓展了研究的思路。本论文作为抗磁悬浮原理在微机电系统中
应用的初步探索,建立了抗磁轴承机械性能的基本理论框架,为这种新型方案的设计、优化、驱动方
式的选择以及运行策略的拟定提供了必要的依据。
学位年度:2009