电磁推力轴承新型材料SMCs及动态特性研究

Aiming at the heat problem caused by eddy currents in the application of magnetic thrust bearing (MTB), this project will carry out studies on the dynamic characteristics of the MTB, the development of soft magnetic composites (SMCs) and its application by means of combination of theoretical analysis and experimental validation. Taking Maxwell electromagnetic theory, the finite element simulation and magnetic equivalent circuit as the principal methods, the effective reluctance model including the eddy current effect and the models of dynamic electromagnetism, stiffness and eddy current loss will be entered. Therefore the law of the eddy current on the dynamic performance of the MTB will be revealed. To reduce the effect of eddy current on dynamic characteristics of the MTB, the quantitative relationship between the material parameters (structure parameters and technical parameters) and the SMCs properties (electromagnetic properties and mechanical strength) will be established based on electromagnetic theory, fracture mechanics and material preparation theory. The dynamic characteristics and the possibility of MTB made by SMCs instead of carbon-steel materials will be verified, which may provide a theoretical basis and technical support for a high-performance MTB. This research aims at the requirement of international energy and environment, which is very important for the development of the oil-free bearing technology and high speed rotating machines used both in defense and industries in our country.

本项目针对电磁推力轴承（MTB）中涡流引起的发热问题，将采用理论与实验相结合的方式，拟对MTB动态特性理论、软磁复合材料（SMCs）研制以及其在MTB中的应用展开研究。本项目将在Maxwell电磁理论基础上，采用有限元及等效磁路分析方法，建立包含涡流效应的有效磁阻模型，并在此模型基础上建立动态电磁力、动态刚度及涡流损耗模型，研究涡流对MTB动态特性的影响规律。为降低涡流对MTB动态特性的影响，基于电磁场理论、断裂力学及材料制备理论，建立结构参数、工艺参数与SMCs电磁性能及强度的量化关系。本项目首次将SMCs应用到MTB中，验证动态特性理论及采用SMCs替代碳钢制造MTB的可能性，为设计高性能MTB提供理论基础和技术支持。本项目瞄准国际能源及环境需求，研究内容对发展我国无油支承技术，特别是应用于国防和民用的高速旋转机械，具有重要的理论意义和工程应用价值。

本项目针对电磁推力轴承（MTB）中涡流引起的发热问题，采用理论与实验相结合的方式，对MTB动态特性理论、软磁复合材料（SMCs）研制以及其在MTB中的应用展开研究。.第一：据磁路理论及考虑涡流的影响，把涡流引起的磁通密度变化等效到磁阻和磁导率中，建立包含涡流效应的有效磁阻模型，并在此模型基础上建立动态电磁力、动态刚度模型。采用有限元分析方法，根根据优化后的尺寸参数，建立了两类轴承的有限元分析模型，通过电磁场分析得到了涡流场分布、气隙磁通密度分布和推力盘表面磁场强度变化等。结果表明，随着频率的增加，涡流场强度增大，相同频率时，软磁复合材料轴承最大涡流场强度及气隙磁密小于碳钢轴承，且随着频率增大，两类轴承最大场强及磁密差距缩短。软磁复合材料轴承能够获得更大的磁场强度，且随着频率增大，靠近推力盘表面的磁场强度增大。.第二：基于电磁场理论及材料制备方法，建立了结构参数、工艺参数与SMCs电磁性能及强度的量化关系。基于两步热处理法进行了Fe基软磁复合材料的制备研究，成功制备出具有较高抗弯强度的软磁复合材料（SMCs），研究并分析了微观组织结构与抗弯强度的内在关系。将Fe粉表面钝化增加了与具有优异介电性能的有机硅环氧树脂的结合键，提高了材料的抗弯强度，抗弯强度达到45.3MPa。.第三：首次将SMCs应用到MTB中，对比碳钢材料，通过算例进行电磁推力轴承的性能分析。结果表明，采用所制备的MgO基SMCs，电磁力的动态带宽可以达到1000Hz以上，远超出碳钢材料的动态带宽。若进一步提高磁导率到650，采用软磁复合材料后电磁力的动态带宽同样可超过1000Hz。验证了采用SMCs替代碳钢制造MTB的可能性，为设计高性能MTB提供理论基础和技术支持。.本项目瞄准国际能源及环境需求，研究内容对发展我国无油支承技术，特别是应用于国防和民用的高速旋转机械，具有重要的理论意义和工程应用价值。