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http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets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