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題 目： 永磁磁懸浮演示裝置結構設計 　　　　　　　　 I 目 錄 摘 要 1 Abstract 3 第一章 緒論 4 1.1 永磁磁懸浮技術研究背景 4 1.2 磁懸浮技術的研究現(xiàn)狀 9 1.3 本文的主要內容 12 第二章 磁懸浮演示裝置的結構設計 14 2.1結構組成 14 2.2 磁懸浮演示裝置的兩大部分及建模 14 2.2.1 浮動磁座部件 14 2.2.2 固定磁座筋板 17 2.3 導向輪的選擇安裝 20 2.4 永磁磁懸浮演示裝置的結構優(yōu)化 21 第三章 永磁磁懸浮演示裝置的力學特性分析 23 3.1 ANSYS MAXWELL有限元分析 23 3.1.1 MAXWELL有限元分析簡介 23 3.1.2 永磁磁懸浮裝置的MAXWELL 2D靜態(tài)分析 23 3.2 ANSYS有限元分析 29 3.2.1 永磁磁懸浮裝置的結構靜力學分析 29 3.2.2 永磁裝置的結構靜力學分析 29 第四章 零件加工工藝的分析 32 4.1 機械加工工藝的具體概念 32 4.2 機械加工工藝流程 32 4.3 制定機械加工工藝規(guī)程的內容和步驟 34 第五章 永磁體的安裝注意 38 第六章 總結與展望 40 6.1 本文主要工作 40 6.2 展望 40 參考文獻 42 致謝 43 III 永磁磁懸浮演示裝置結構設計 摘 要 永磁磁懸浮技術是集電磁學、 電子技術、 控制工程、 信號處理、 機械學、 動力學為一體的典型的機電一體化技術。隨著電子技術、控制工程、信號處理元器件、電磁理論及新型電磁材料的發(fā)展和轉子動力學的進展, 永磁磁懸浮技術得到了長足的發(fā)展。目前國內外研究的熱點是磁懸浮軸承和磁懸浮列車, 而應用最廣泛的是磁懸浮軸承。它擁有無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑以及高精度等特殊的優(yōu)點。本文設計的永磁磁懸浮演示裝置主要用于展示永磁磁懸浮原理，通過該裝置體現(xiàn)永磁磁懸浮零能耗懸浮、無電磁輻射等特點，從模型角度去研究該技術在列車、軸承等領域的運用可行性。 永磁懸浮，是運用永久磁鐵與軌道相斥并保持在槽口中線可懸浮運行，導向輪可實現(xiàn)零磨擦運行，機械向能接近零磨擦。主要是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即“磁性懸浮”。 關鍵詞：永磁；磁懸?。谎菔狙b置；結構優(yōu)化設計 Permanent maglev demonstration device design Abstract Maglev technology is a concentration of electromagnetism, electronic technology, control engineering, signal processing, mechanics, dynamics as one of the typical electromechanical integration technology.As the electronic technology, control engineering, signal processing component, electromagnetic theory and the progress of the development of new electromagnetic material and rotor kinetics, magnetic suspension technology has been rapid development.Research hotspot at home and abroad is the magnetic suspension bearing and maglev train, and the most widely used is a magnetic levitation bearing.It has no contact, no friction, long service life, no lubrication, and the advantages of high precision and other special.This design demonstration of the permanent magnetic levitation device is mainly used for permanent magnet magnetic levitation principle, through the device reflect permanent maglev zero energy consumption characteristics of suspension, no electromagnetic radiation, from the perspective of the model to study the technology feasibility in train, bearing in the areas of application. Permanent magnetic levitation, is using the permanent magnet and the orbit are repellent and keep to the midline of the rabbet suspension, guide wheel can realize zero friction, mechanical friction to get close to zero.Mainly use the magnet "the same, opposites attract" the nature of the magnets have the ability to resist gravity, namely "magnetic levitation". Key words: permanent magnet; maglev; Demonstration unit 44 第一章 緒論 1.1 永磁磁懸浮技術研究背景 磁懸浮是利用懸浮磁力使物體處于一個零摩擦、零接觸的懸浮平衡的狀態(tài)。至今，以出現(xiàn)三種類型的磁懸浮技術。一是以日本為代表的超導電動磁懸?。欢且缘聡鵀榇淼某щ娛酱艖腋?；三是中國的永磁磁懸浮。其中，電磁磁懸浮技術簡稱EML技術，它主要是利用高頻電磁場在金屬表面產生的渦流來實現(xiàn)對金屬球的懸浮。一般通過線圈的交變電流為10000-1000000Hz。另一種永磁磁懸浮技術是利用永久磁鐵間的吸力和斥力代替電磁磁懸浮技術中洛倫磁力來實現(xiàn)懸浮技能，永磁磁懸浮技術不需要電力和其他任何動力支持。目前，磁懸浮技術在工業(yè)上得到廣泛運用，尤其是在磁懸浮列車領域內應用較為成熟。（上述能否合為一段） 磁懸浮技術的研究是來源于德國，早在1922年電磁磁懸浮原理就被Hermann kemper 先生提出來了，并在1934年申請了磁懸浮列車專利。進入70年代后，隨著工業(yè)化國家經濟實力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應其經濟發(fā)展的需要，美國、日本、加拿大、法國、英國等國家繼而開始籌劃磁懸浮運輸的開發(fā)。根據當時輪軌極限速度理論，科研者認為，須采用新式運輸系統(tǒng)，即不依賴輪軌。這種認識引起許多國家的科研部門的興趣，但后來全都放棄，以至于目前只有德國和日本仍在繼續(xù)進行磁懸浮的研究，并且都取得了令人矚目的進展。 目前，磁懸浮可分為三種主要的應用方式： 1、電磁吸引控制懸浮方式 電磁吸引控制方式是利用導磁與電磁鐵之間的吸引力，絕大部分磁懸浮技術幾乎都采用該技術。雖然這種吸引力在原理上是一種不穩(wěn)定的力，但通過控制電磁鐵電流的大小，可以將懸浮氣隙保持在一定數值上。隨著現(xiàn)代驅動元器件高性能和控制理論的發(fā)展，這種方式得到了廣泛的運用。同時，在此技術的基礎上也有科研人員提出了把需要大電流勵磁的電磁鐵部分替換成可控的永久磁鐵的方案，并作了深入研究。這種方案可以大幅度的降低勵磁損耗，甚至在額定懸浮高度時不需要能量，是一個非常值得注目的新技術。 2、 感應斥力控制方式 感應斥力控制方式利用了磁鐵或磁力線圈和短路線圈之間的斥力。為了得到 斥力，勵磁線圈和短路線圈之間須有相對的運動。這種方式主要運用超導磁懸浮列車的懸浮裝置中。 3、 永久磁鐵斥力懸浮方式 永久磁鐵斥力懸浮控制方式是利用永久磁體間的斥力，一般產生的斥力為1kg/cm。根據磁鐵材料的不同，其產生的斥力會隨之變化。但由于橫定位移的不穩(wěn)定因素，需要從力學角度來安排磁鐵的位置。隨著稀土材料的普及，永久磁鐵斥力懸浮方式將會被更多的應用到各個領域。 磁懸浮列車是現(xiàn)代高科技發(fā)展產物。其原理是利用磁力抵消地球引力，通過直線電機進行直接牽引，使列車懸浮在軌道上運行。 其研究和制造涉及了自動控制、直線推進技術、電力電子技術、機械設計制造、故障的診斷和檢修等眾多學科，技術十分復雜，是一個國家科技實力和工業(yè)水平的重要標志。 磁懸浮列車與普通的列車相比，具有低噪音、節(jié)能、高速高效和安全舒適的特點，有著“零高度飛行器”的美稱，是一個具有廣闊前景的新型交通工具。 磁懸浮列車根據其懸浮系統(tǒng)設計的不同，分為三大類型： 1、 常導磁懸浮列車，以德國高速常導磁懸浮列車transrapid為代表。Transrapiad是利用普通直流電磁鐵電磁力吸力的原理將列車懸起，懸浮的氣隙較小，一般為10mm左右。常導型高速磁懸浮列車的速度可達每小時500公里以上，適合用于城市之間的長距離運輸。 圖1-1 德國Transrapid懸浮原理示意圖 常導磁懸浮列車工作時，首先調整車輛下部的懸浮和導向電磁鐵的電磁吸力，與地面軌道兩側的繞組發(fā)生磁鐵反作用將列車浮起。在車輛下部的導向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下，使車輪與軌道保持一定的側向距離，實現(xiàn)輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導向。車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米，是通過一套高精度電子調整系統(tǒng)得以保證的。此外由于懸浮和導向實際上與列車運行速度無關，所以即使在停車狀態(tài)下列車仍然可以進入懸浮狀態(tài)。 常導磁懸浮列車的驅動運用同步直線電動機的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就像是同步直線電動機的勵磁線圈，地面軌道內側的三相移動磁場驅動繞組起到電樞的作用，它就像同步直線電動機的長定子繞組。從電動機的工作原理可以知道，當作為定子的電樞線圈有電時，由于電磁感應而推動電機的轉子轉動。同樣，當沿線布置的變電所向軌道內側的驅動繞組提供三相調頻調幅電力時，由于電磁感應作用承載系統(tǒng)連同列車一起就像電機的“轉子”一樣被推動做直線運動。從而在懸浮狀態(tài)下，列車可以完全實現(xiàn)非接觸的牽引和制動。 2、 超導磁懸浮列車，以日本的MAGLEV為代表。從懸浮技術上講是電力懸浮系統(tǒng)（EDS）。它是利用超導磁體產生的強磁場，列車運行時與布置在地面上的線圈互相作用，產生電動斥力將列車懸起，懸浮氣隙較大，一般為100mm左右；每小時的速度可達到500公里以上。 圖1-2 日本MLU懸浮和導向原理示意圖 超導磁懸浮列車的最主要特征就是其超導元件在相當低的溫度下所具有的完全導電性和完全抗磁性。超導磁鐵是由超導材料制成的超導線圈構成，它不僅電流阻力為零，而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流，這種特性使其能夠制成體積小功率強大的電磁鐵。 超導磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導磁體并構成感應動力集成設備，而列車的驅動繞組和懸浮導向繞組均安裝在地面導軌兩側，車輛上的感應動力集成設備由動力集成繞組、感應動力集成超導磁鐵和懸浮導向超導磁鐵三部分組成。當向軌道兩側的驅動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時，就會產生一個移動的電磁場，因而在列車導軌上產生磁波，這時列車上的車載超導磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力，正是這種推力推動列車前進。其原理就像沖浪運動一樣，沖浪者是站在波浪的頂峰并由波浪推動他快速前進的。與沖浪者所面對的難題相同，超導磁懸浮列車要處理的也是如何才能準確地駕馭在移動電磁波的頂峰運動的問題。為此，在地面導軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器，根據探測儀傳來的信息調整三相交流電的供流方式，精確地控制電磁波形以使列車能良好地運行。 超導磁懸浮列車也是由沿線分布的變電所向地面導軌兩側的驅動繞組提供三相交流電，并與列車下面的動力集成繞組產生電感應而驅動，實現(xiàn)非接觸性牽引和制動。但地面導軌兩側的懸浮導向繞組與外部動力電源無關，當列車接近該繞組時，列車超導磁鐵的強電磁感應作用將自動地在地面繞組中感生電流，因此在其感應電流和超導磁鐵之間產生了電磁力，從而將列車懸起，并經精密傳感器檢測軌道與列車之間的間隙，使其始終保持100毫米的懸浮間隙。同時，與懸浮繞組呈電氣連接的導向繞組也將產生電磁導向力，保證了列車在任何速度下都能穩(wěn)定地處于軌道中心行駛。［［12］吳華.常導/超導磁懸浮演示裝置的控制.西南交通大學.2006年6月 2］ 圖1-3 常導與超導磁懸浮列車對比圖 3、永磁磁懸浮列車，永磁磁懸浮列車是中國自主研發(fā)的永久磁體懸浮列車。它是利用永磁材料的磁力實現(xiàn)車體的懸浮，不需要電力和其他任何動力的支持，實現(xiàn)了無能耗懸浮。 1994年西南交大成功地進行了4個座位、自重4噸、懸浮高度為8毫米、時速為30公里的磁懸浮列車試驗之后，由鐵科院主持、長春客車廠、中科院電工所、國防科技大學參加，共同研制的長為6.5米、寬為3米、自重4噸、內設15個座位的6噸單轉向架磁懸浮試驗車在鐵科院環(huán)行試驗線的軌距為2米、長36米、設計時速為100公里的室內磁懸浮實驗線路上成功地進行了試驗，并于1998年12月通過了鐵道部科技成果鑒定。6噸單轉向架磁懸浮試驗車的研制成功，為低速常導磁懸浮列車的研究提供了技術基礎，填補了我國在磁懸浮列車技術領域的空白。 上海磁懸浮列車為常導磁懸浮列車。在電磁力作用下，列車將懸浮在距離軌道約1厘米處運行，而實現(xiàn)這一功能的主要部件之一就是軌道梁，它既是承載列車的承重結構，又是浮起列車運行的導向結構。上海磁懸浮列車系統(tǒng)全線總共有1400多根軌道梁，每根長約50米，重達350 噸。為了安裝電磁設備，梁上要打28萬個孔，每個孔的位置誤差不得超過0.02毫米，不到一根頭發(fā)絲的粗細。 由西南交大、長春客車廠及株洲電力機車研究所聯(lián)合制造的，我國自行研制、設計、施工總投資達3000萬元的第一條磁懸浮列車線路——青城山磁懸浮列車線路，已經于今年在青城山正式啟動。整個線路軌道由水泥橫梁連接而成，全長419.925米。磁懸浮列車長11.5米、寬2.6米、高3.3米，呈流線形，采用常導吸力式磁懸浮技術。與上海的磁懸浮列車相比，兩者除了懸浮原理基本一致外，完全是兩種不同類型的磁浮技術。時速不同上海采用的是德國磁浮技術用于城際交通，這決定了它的技術研究方向是高速度(上海磁浮列車的運行時速達430公里)。而青城山磁浮列車的最高時速是100公里，主要運用于城市內部軌道交通。 常導與超導磁懸浮列車都需要用電力來產生磁懸浮浮力，相對于傳統(tǒng)的輪軌式列車的優(yōu)缺點是： 1、 它克服了傳統(tǒng)輪軌鐵路提高速度的主要障礙，發(fā)展前景廣闊； 2、 低噪音、高速高效、乘坐舒適； 3、 對電依耐性高，當斷電或停電后發(fā)生的安全保障問題和制動問題需要解決； 4、 常導磁懸浮技術的懸浮高度較低，因此對線路的平整度。路基下沉量等方面要求較超導技術高； 5、 能耗大，尤其超導磁懸浮技術由于渦流效應懸浮能耗較常導技術更大，且需配有繁雜笨重的冷卻系統(tǒng)，降低了列車 的有效重量。 6、 強的電磁場對人體和環(huán)境有影響。 永磁磁懸浮列車相比于常導電磁磁懸浮列車和超導電動磁懸浮列車，有如下特點： 1、 懸浮力強，少量的磁體和特定的磁體排列方式產生的懸浮力已超過常導電磁磁懸浮列車和超導磁懸浮列車的懸浮力； 2、 經濟性好，一是結構簡單，成本低；二是由于車體重量輕，因此有效負載能力大； 3、 節(jié)能性強，無需消耗電能和其他任何能源，產生保持車體懸浮的懸浮力。驅動系統(tǒng)效率高； 4、安全性好、可靠性高。不會因為電路的故障發(fā)生事故； 5、平衡性穩(wěn)定、特定的磁體排列方式不僅產生向上的懸浮力，而且會產生向下的吸附力，阻止車體顛簸 6、環(huán)境友好型列車。無電磁輻射污染；無噪音污染；使用直流電機驅動，無排放氣體污染。 7、適應性好。即可載客也可卸貨，即可市內交通也可城際快速交通。應用廣泛。 8、列車系統(tǒng)構造簡單，使得現(xiàn)有鐵路和地鐵線路進行簡單改造即可實現(xiàn)商業(yè)應用。 1.2 磁懸浮技術的研究現(xiàn)狀 目前，磁懸浮技術的大規(guī)模應用主要集中在磁懸浮列車和磁懸浮軸承兩方面： 1、 磁懸浮列車： 永磁磁懸浮,即永久磁鐵與軌道（由電磁軌道或導磁材料）相斥并保持在槽口中線可懸浮運行，電磁導向可實現(xiàn)零磨擦運行，機械向能接近零磨擦。 永磁懸浮應用在交通優(yōu)點是節(jié)能，它阻力系數約為滾動阻力的1/10，在100km/h運行速度內與汽車能耗比為1：10。 永磁懸浮交通與有軌交通有著一樣的安全性、永磁懸浮高度是工作在某區(qū)間近似彈簧受力狀態(tài)的一種自由穩(wěn)定懸浮。電磁懸?。ㄈ缟虾腋〗煌?、日本超導懸浮列車方案）是不穩(wěn)定懸浮。要靠復雜的控制技術實現(xiàn)懸浮，即使控制做得非常完善也不能保證永無保障，永不失磁，永磁懸浮能實現(xiàn)永不失磁。 永磁懸浮交通設備結構就是電磁軌道與車體永磁條組件、永磁懸浮技術創(chuàng)新就是改變磁懸浮高技術、高制造成本、高精度難實施變?yōu)橐话慵夹g，低制造成本容易實施與普及推廣大。 永磁磁懸浮是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即“磁性懸浮”?？茖W家將“磁性懸浮”這種原理運用在鐵路運輸系統(tǒng)上，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車，時速可達幾百公里以上。這就是所謂的“磁懸浮列車”，亦稱之為“磁墊車”。 由于磁鐵有同性相斥和異性相吸兩種形式，故磁懸浮列車也有兩種相應的形式：一種是 利用磁鐵同性相斥原理而設計的電磁運行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它利用車上超導體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈形成的磁場之間所產生的相斥力，使車體懸浮運行的鐵路；另一種則是利用磁鐵異性相吸原理而設計的電動力運行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它是在車體底部及兩側倒轉向上的頂部安裝磁 鐵，在T形導軌的上方和伸臂部分下方分別設反作用板和感應鋼板，控制電磁鐵的電流，使電磁鐵和導軌間保持10—15毫米的間隙，并使導軌鋼板的排斥力與車輛的重力平衡，從而使車體懸浮于車道的導軌面上運行。 磁懸浮列車與當今的高速列車相比，具有許多無可比擬的優(yōu)點： 由于磁懸浮列車是軌道上行駛，導軌與機車之間不存在任何實際的接觸，成為“無輪”狀態(tài)，故其幾乎沒有輪、軌之間的摩察，時速高達幾百公里； 磁懸浮列車可靠性大、維修簡便、成本低，其能源消耗僅是汽車的一半、飛機的四分之一； 噪音小，當磁懸浮列車時速達300公里以上時，噪聲只有65.6分貝，僅相當于一個人大聲地說話，比汽車駛過的聲音還?。?由于它以電為動力，在軌道沿線不會排放廢氣，無污染，是一種名副其實的綠色交通工具。 20世紀60年代，世界上出現(xiàn)了3個載人的氣墊車試驗系統(tǒng)，它是最早對磁懸浮列車進行研究的系統(tǒng)。隨著技術的發(fā)展，特別是固體電子學的出現(xiàn)，使原來十分龐大的控制設備變得十分輕巧，這就給磁懸浮列車技術提供了實現(xiàn)的可能。1969年，德國牽引機車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車模型，以后命名為TR01型，該車在1km軌道上的時速達165km，這是磁懸浮列車發(fā)展的第一個里程碑。在制造磁懸浮列車的角逐中，日本和德國是兩大競爭對手。1994年2月24 日，日本的電動懸浮式磁懸浮列車，在宮崎一段74km長的試驗線上，創(chuàng)造了時速431km的日本最高紀錄。1999年4月，日本研制的超導磁懸浮列車在試驗線上達到時速552km。德國經過近20年的努力，技術上已趨于成熟，已具有建造運用的水平。原計劃在漢堡和柏林之間修建第一條時速為400km的磁懸浮鐵路，總長度為248km，預計2003年正式投入營運。但由于資金計劃問題，2002年宣布停止了這一計劃。 我國對磁懸浮列車的研究工作起步較晚，1989年3月，國防科技大學研制出我國第一臺磁懸浮試驗樣車。1995年，我國第一條磁懸浮列車實驗線在西南交通大學建成，并且成功進行了穩(wěn)定懸浮、導向、驅動控制和載人等時速為300km的試驗。西南交通大學這條試驗線的建成，標志我國已經掌握了制造磁懸浮列車的技術。然而，2001年3月上海13.8km的磁懸浮列車開始營運，標志著我國成為世界上第一個具有磁懸浮運營鐵路的國家。 2、磁懸浮軸承 ①磁懸浮軸承工業(yè)應用 磁軸承主要應用對象有低軌道地球衛(wèi)星和航天器中的超真空泵、中子粉碎機、衛(wèi)星慣性飛輪和能量存儲飛輪、姿態(tài)控制飛輪、火箭引擎透平泵、制冷透平泵、環(huán)狀懸浮定位系統(tǒng)以及反射鏡的驅動機械裝置等。 隨著現(xiàn)代工業(yè)對加工精度要求的不斷提高以及機床轉速的增加，傳統(tǒng)的滾動軸承和靜壓軸承均已明顯地不能滿足對支承的要求，其中尤以噪聲、振動、發(fā)熱及使用壽命的問題更為突出。另外，在傳統(tǒng)的軸承中，供油系統(tǒng)是必不可少的。這不僅使結構更趨復雜，同時又產生了諸如污染等問題?？尚业氖巧鲜鰡栴}在采用了磁軸承以后，均能獲得圓滿解決。法國的S2M公司在數百臺機床上成功地應用了磁軸承，包括各種高精度車床、銑床和磨床，而磨床方面的應用尤為突出。 在一般工業(yè)生產中第一個裝有磁軸承的是德國Leybol-Heraeus公司發(fā)明的渦輪機驅動的真空泵，其額定轉速達30,000r/min，工作氣隙直徑90mm，轉子重7kg，高真空、高轉速、長壽命。在輕工業(yè)中，磁軸承主要應用于渦輪分子真空泵、離心機液態(tài)泵、紡織機主軸、小型低溫壓縮機、旋轉光學境主軸、旋轉陽極射線管、中子分選器等。法國研制成功一臺冶金實驗用的小型超高速離心機，其轉速達800,000r/min。在重工業(yè)中，磁軸承也得到了應用。德國ABB公司采用磁軸承系統(tǒng)研制成功第一臺大型核能用部件，即MALVE實驗循環(huán)器，其轉子重2噸，功率400kw，外伸推進器直徑1.25m。由于磁軸承具有獨特的優(yōu)良性能，在能源工業(yè)中，特別是核能技術的研究中，它將發(fā)揮越來越大的作用。此外，磁軸承在航海技術、紡織技術、醫(yī)療器械、電動機、發(fā)電機、噴氣機、電度表、機器人技術、振動控制等方面都得到了應用。 ②磁懸浮軸承國內外發(fā)展概況 磁軸承的發(fā)展與研究一直受到國內外工業(yè)界的廣泛關注。自1988年起，國際上每兩年舉行一屆磁軸承國際會議，交流和研討該領域的最新研究成果。目前較為活躍并處于領先地位的主要有瑞士聯(lián)邦工學院(ETH)，美國Maryland大學和Virginia大學、日本東京大學和英國Sussex大學等研究機構，以及法國S2M、瑞士IBAG、英國Glacier、美國Avcon、MTI、Satcon等生產廠家。磁軸承在國外有較長的研究歷史，目前已進入應用階段：1969年，法國軍部實驗室(LRBN) 開始磁懸浮軸承研究，1972年將第一個磁懸浮軸承應用于衛(wèi)星導向器飛輪支承上；美國在1983年11月搭載于航天飛機的歐洲空間實驗艙采用了磁懸浮軸承真空泵；1995年，日本精工精機公司在意大利國際機床博覽會上展出了采用了磁軸承主軸的機械加工中心MV--40B。法國SEP公司的磁懸浮軸承產品，轉速范圍0-800,000r/min，轉子直徑14-600mm，單個軸承承載能力3,000～50,000N， 使用溫度范圍-253～450℃。美國Federal-Mogul公司生產的磁軸承轉速在400～120,000r/min，最大線速度可達264m/s，軸向承載222kN，徑向承載80kN。從目前國外的應用狀況來看，在高速旋轉和高精度的應用場合，磁軸承具有極大的優(yōu)越性，并已逐漸成為應用的主流。 張士勇.磁懸浮技術的應用現(xiàn)狀與展望.長安大學基礎部 我國對磁軸承的研究起步于80年代，國防科技大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學、上海交通大學等均開展了相應的研究。1994年，清華大學機電與控制實驗室研制成功臥式五自由度磁軸承系統(tǒng)，轉速高達53,200r/min，1997年成功進行了內圓磨削實驗，1999年實現(xiàn)了數控，轉速高達50,000r/min， 回轉精度lμm。1996年，哈爾濱工業(yè)大學研制成功數控機床用高剛度磁力軸承主軸，主軸轉速20,000r/min，磨頭端部剛度20N/μm，軸承處徑向靜剛度169N/μm，主軸運動誤差小于25μm，目前，正致力于磁軸承衛(wèi)星飛輪應用技術的研究。同時，西安交通大學研制成功用于渦輪膨脹機的磁軸承系統(tǒng)。但到目前為止，開發(fā)的多數產品還處于實驗室階段，而且在承載剛度和承載能力方面距離大規(guī)模應用還有一定距離。國外磁軸承的價格十分昂貴，而且處于技術上保密的原因，不對國內進行小批量磁軸承的出售。磁軸承能否產業(yè)化，其發(fā)展速度和水平關系著民族工業(yè)的前途，其市場潛力也非常巨大。 1.3 本文的主要內容 本課題題目是永磁磁懸浮演示裝置，其原理如圖所示，A為與動子相連的某一永磁體，1~3為與A相鄰的定子磁陣列上的永磁體。當動子由于外力從圖4中的位置下沉，則永磁體A也下沉。從圖4中的極性可以看出，永磁體A將受到永磁體2向上的吸引力，同時受到永磁體3向上的斥力，這向上的吸力和向上的斥力的共同作用阻止A下降，也就是阻止動子下降。反過來當動子受到外力（如振動）而向上運動，則動子磁陣列也向上運動。這時永磁體A受到永磁體2向下的吸力，同時受到永磁體1向下的斥力，這兩個力的共同作用阻止永磁體A上升，也就是阻止動子上升。所有動子永磁體受到的作用力和A類似，從而使動子懸浮，并且阻止動子下振動。 圖1-4 永磁磁懸浮原理 第二章 磁懸浮演示裝置的結構設計 2.1結構組成 本設計的磁懸浮演示裝置的結構設計數據，是由南京艾凌節(jié)能有限公司提供，此磁懸浮演示裝置主要由磁鐵、磁鐵保持架、承重板、導向輪、磁鐵支撐板、固定磁座側板、浮動和固定筋板等零件做成。其結構簡單，永磁磁懸浮的懸浮性能明了，極富有趣味性。此裝置可以分為浮動磁座部件和固定磁座部件兩大部分。 初步確定其結構示意圖如下: 圖2-1 永磁磁懸浮演示裝置示意圖 2.2 磁懸浮演示裝置的兩大部分及建模 2.2.1 浮動磁座部件 浮動磁座部件是由承重板、磁鐵盒、磁鐵支撐板、導向輪等零件組成。在承重板下方安裝兩個磁鐵支撐板，分別在兩個支撐板的外側各安裝兩個磁鐵盒，每個磁鐵盒中安裝3個磁鐵。其主要結構如圖所示： 圖2-2 浮動磁座部件 主要零件的結構建模與尺寸如下： 1、 承重板。 承重板是主要受力零件，其結構形狀、尺寸入圖2-3、2-4所示。 圖2-3 承重板尺寸 圖2-4 結構形狀 2、 磁鐵支撐板 磁鐵支撐板是用來安裝固定磁鐵盒的，其主要結構形狀、尺寸如圖9、10。 圖2-5 磁鐵支撐板形狀結構 圖2-6 磁鐵支撐板尺寸 3、 磁鐵盒 磁鐵盒是用來安裝磁鐵的，如圖所示。 圖2-7 磁鐵盒和磁鐵的安裝 圖2-8 磁鐵盒尺寸 2.2.2 固定磁座筋板 固定磁座筋板主要是由磁鐵盒、固定磁座底板、固定磁座筋板組成。其作用是利用固定磁座側板上的永磁使其浮動磁座浮動。 圖2-9 浮動磁座部件結構形狀 其零件的尺寸形狀如下： 1、 固定磁座底板 其結構形狀尺寸如圖所示 圖2-10 固定磁座底板結構形狀 圖2-11 固定磁座底板尺寸 2、 浮動磁座側板 浮動磁座側板主要是用來固定磁鐵盒，其結構形狀零件如圖 圖2-12 固定磁座側板結構形狀 圖2-13 固定磁座側板尺寸 3、 磁鐵盒 其結構形狀尺寸如圖所示 圖2-14 磁鐵盒結構形狀 圖2-15 磁鐵盒尺寸 4、固定磁座筋板 其結構形狀尺寸入圖所示 圖2-16 固定磁座筋板結構形狀 圖2-17 固定磁座筋板尺寸 2.3 導向輪的選擇安裝 由于浮動部件上磁鐵盒與固定部件上磁鐵盒間的距離是10mm，如圖所示，即磁鐵間的距離為16mm。 圖2-18 固定部件磁鐵盒與浮動部件磁鐵盒間距離 利用Maxwell仿真計算出導向輪橫向最大承受力。 當雙邊磁鐵距離為13mm時，橫向受力接近為0，豎向受力為2059.9N；當一邊磁鐵距離為18mm，一邊為20mm時，橫向受力為954.89N，豎向受力為2058.7N。 如圖2-19所示，浮動部件上單邊安裝4個導向輪，根據Maxwell的計算結果得出，每個導向輪至少承受25Kg的力。 即選擇1.2寸能夠承受40Kg的導向輪。 圖2-19 導向輪的排布 2.4 永磁磁懸浮演示裝置的結構優(yōu)化 2.3.1 磁鐵排布的優(yōu)化 初步確定的結構示意圖如下所示： 圖2-18 初始確定磁鐵保持架結構示意圖 當磁鐵排列順序入上圖所示時，在浮動磁座部件運動到如圖2-19所示位置時，沒有磁力使浮動部件浮起。 圖2-19 初始磁鐵排布結構示意圖 利用ANSYS分析磁場分布，將固定磁座部件上的磁鐵盒結構重新設計與磁鐵排列分布優(yōu)化。 即將其磁鐵保持架與磁鐵排列設計成如下圖所示： 圖2-19 改善后磁鐵分布及磁鐵保持架結構示意圖 金陵科技學院學士學位論文 第四章 零件加工工藝的分析 第3章 永磁磁懸浮演示裝置的力學特性分析 3.1 ANSYS MAXWELL有限元分析 3.1.1 MAXWELL有限元分析簡介 MAXWELL軟件是國際上流行的大型通用有限軟件包，是功能強大的電磁場仿真工具，主要用于電場、磁場、渦流場、熱場等領域的分析與計算中。該軟件較比其他有限元軟件有以下機電優(yōu)勢： 1、 具有強大的數據處理功能； 2、 擁有簡便易行的繪圖功能同時方便導入其他繪圖軟件形成的模型； 3、 在剖分過程中，可進行手動剖分和自動剖分，網格形狀和疏密程度靈活多樣，能量誤差可減小到任意指定值； 4、 能夠進行各類線性和非線性分析。 3.1.2 永磁磁懸浮裝置的MAXWELL 2D靜態(tài)分析 Maxwell2D靜磁場求解器可以計算由直流電流、永磁體等橫定激磁源所激勵的橫定磁場。 1、 創(chuàng)建項目 啟動MAXWELL并建立新的項目文件，定義瞬態(tài)分析類型，如圖3-1所示 圖3-1 定義分析屬性 2、創(chuàng)建永磁2D模型 繪制幾何模型，模型示意圖3-2所示，模型的基本設置主要包括長度、定義材料及時間、力的設定幾方面內容。 圖3-1 模型示意圖 圖3-2 模型的基本設置 3、劃分網格 對不同的零件進行不同數值的網格劃分，如圖3-3所示 圖3-2 網格劃分設置 4、 設置邊界 對模型設置邊界條件，保證運行在其邊界內。 圖3-3 邊界條件的設定 5、 設置加載 對模型施加載荷，并進行時間的設置。 圖3-4 時間的設置 6、 求解結果 1）、當磁鐵相對位置如圖3-5所示時， 圖3-5 磁鐵的相對位置 裝置所受的力如圖所示 圖3-6 磁鐵正對時求解結果 2）、當浮動部件向上移動10MM時，此時磁鐵位置如圖3-5所示， 圖3-7 磁鐵的相對位置 裝置所受的力如圖所示 圖3-8 求解結果 3）、當浮動部件向上移動16MM時，此時裝置豎直方向所受的力如圖所示 圖3-9 求解結果 根據以上分析結果得知： 浮動部件豎直方向受到的最大磁力是5419.6N。 3.2 ANSYS有限元分析 3.2.1 永磁磁懸浮裝置的結構靜力學分析 ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)。 它能與多數CAD軟件接口，實現(xiàn)數據的共享和交換，如Pro/Engineer，NASTRAN，SolidWorks，AutoCAD等現(xiàn)代產品設計中的高級CAD工具之一。 3.2.2 永磁裝置的結構靜力學分析 結構靜力學分析是有限元分析中最簡單的，同時也是最基礎的分析方法，一般工程計算中最經常應用的方法就是靜力分析。 所謂靜力就是結構收到靜態(tài)荷載的作用，慣性和阻尼可以忽略。在靜態(tài)載荷作用下，結構處于靜力平衡狀態(tài)，此時必須充分約束，但由于不考慮慣性，則質量對結構沒有影響。但是很多情況下，如果荷載周期遠遠大于結構自振周期（即緩慢加載），則結構的慣性效應能夠忽略，這種情況可以簡化為線性靜力分析來進行。[[] 許進峰.ANASY.WORKBENCE 15.0.完全自學一本通.電子工業(yè)出版社.201 ] 1、 創(chuàng)建項目 啟動ANSYS并建立分析項目，如圖3-10所示， 圖3-10 創(chuàng)建項目 2、 創(chuàng)建幾何體 創(chuàng)建如圖所示的幾何體 圖3-11 幾何體 3、 添加材料 圖3-11 添加材料 4、 施加載荷和約束 給承重板施加一個恒力 圖3-12 施加載荷和約束 5、 求解結果 圖3-13 總應力分析云圖 當施加500Mpa的載荷時，承重板受到的最大變形為0.38mm。 第四章 零件加工工藝的分析 機械加工工藝是指用機械加工的方法改變毛坯的形狀、尺寸、相對位置和性質使其成為合格零件的全過程，加工工藝是工人進行加工的一個依據 4.1 機械加工工藝的具體概念 機械加工工藝流程是工件或者零件制造加工的步驟，采用機械加工的方法，直接改變毛坯的形狀、尺寸和表面質量等，使其成為零件的過程稱為機械加工工藝過程。比如一個普通零件的加工工藝流程就是粗加工-精加工-裝配-檢驗-包裝，就是個加工的籠絡流程。 機械加工工藝就是在流程的基礎上，改變生產對象的形狀、尺寸、相對位置和性質等，使其成為成品或半成品，是每個步驟，每個流程的詳細說明，比如，上面說的，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分為車，鉗工，銑床，等等，每個步驟就要有詳細的數據，比如粗糙度要達到多少，公差要達到多少。 總的來說，工藝流程是綱領，加工工藝是每個步驟的詳細參數，工藝規(guī)程是根據實際情況編寫的特定的加工工藝。 4.2 機械加工工藝流程 機械加工工藝規(guī)程是規(guī)定零件機械加工工藝過程和操作方法等的工藝文件之一，它是在具體的生產條件下，把較為合理的工藝過程和操作方法，按照規(guī)定的形式書寫成工藝文件，經審批后用來指導生產。機械加工工藝規(guī)程一般包括以下內容：工件加工的工藝路線、各工序的具體內容及所用的設備和工藝裝備、工件的檢驗項目及檢驗方法、切削用量、時間定額等。 制定工藝規(guī)程的步驟： 1) 計算生產綱領，確定生產類型。 2) 分析零件圖及產品裝配圖，對零件進行工藝分析。 3) 選擇毛坯。 4) 擬定工藝路線。 5) 確定各工序加工余量，計算工序尺寸及公差。 6) 確定各工序所用的設備及刀具、夾具、量具和輔助工具。 7) 確定切削用量及工時定額。 8) 確定各主要工序的技術要求及檢驗方法。 9) 填寫工藝文件。 在制訂工藝規(guī)程的過程，往往要對前面已初步確定的內容進行調整，以提高經濟效益。在執(zhí)行工藝規(guī)程中，可能會出現(xiàn)前所未料的情況，如生產的條件變化，新技術、新工藝的引進，新材料、先進設備的應用等，都要及時對工藝規(guī)程進行修訂和完成。 劉強.典型零件加工工藝分析.無錫.無錫技術師范學院 4.3 制定機械加工工藝規(guī)程的內容和步驟 對零件的家工工藝規(guī)程進行之前，首先對零件進行工藝分析。其主要內容包括： 1． 分析零件的作用及零件圖上的技術要求。 2． 分析零件主要加工表面的尺寸、形狀及位置精度、表面粗糙度及設計基準； 3． 分析零件的材質、熱處理及機械加工的工藝性。 如圖 所示的零件是演示裝置中的承重板，用作承擔板及以上的重量，并且用來固定支撐兩側的磁鐵支撐板。本零件生產類型為小批量生產。下面該對零件進行精度分析。 圖4-1 承重板 1、 產品結構形狀分析 金陵科技學院學士學位論文 第五章 永磁體的安裝注意 圖4-2 承重板零件圖 由零件圖可知產品為板型落料，沖孔，對稱，有尖角。孔與孔之間的距離為194mm、340mm，螺紋孔之間的距離為270mm、60mm，板料厚度為10mm。 2、 產品尺寸、粗糙度、材料 1) 產品尺寸、粗糙度由零件圖可知。 2) 產品材料分析： 由零件圖知，該稱重板的材料為Q235-A，Q235-A的韌性和塑性較好，有一定的伸長率，具有良好的焊接性能和熱加工性。最低抗拉強度為370Mpa，具有成本低、韌性、塑性好。切結構簡單，加工數量為單件小批量生產。 3、 制訂承重板的工藝過程 加工順序為先面后孔，以加工好的平面來定位，再來加工孔。由于孔均勻分布在零件平面上，先加工好平面，鉆孔時，鉆頭不易引偏，擴孔或絞孔時，刀具也不易崩刃。 4、 定位基準的選擇 單件小批生產的零件一般用的裝配基面做定位基準 5、 承重板的加工工藝路線簡述 表4-1 承重板工藝路線簡述 工序 工序名稱 工序內容 設備 工藝裝備 1 切割毛坯 根據零件圖切割符合尺寸的毛坯 切割機 切割機 2 粗、精加工 粗、精加工承重板的表面 銑臺 銑刀 3 劃線 以粗加工的表面為基準，對表面進行劃線。 劃線臺 劃針 4 鉆孔，锪平孔 絞絲螺紋孔 加工孔、锪平孔、螺紋孔 鉆孔機 鏜刀 第5章 永磁體的安裝注意 5.1 永磁體 目前，常用的永磁體材料有鋁鎳鈷、鋇鐵氧體和鍶鐵氧體、釤鈷、和釹鐵硼，這是按發(fā)明的先后順序排列的；若按年產噸位排列則為：鐵氧體、釹鐵硼、鋁鎳鈷、釤鈷。本文使用的是釹鐵硼。 釹鐵硼永磁體是一種儲能材料，可以在一定空間內產生恒定磁場。由于其極高的矯頑力和磁能積，特別是在20℃～150℃環(huán)境下相對于其它永磁體的優(yōu)異表現(xiàn)，使得釹鐵硼永磁材料在多種領域特別是現(xiàn)代高科技領域獲得了廣泛應用。其應用從物理原理上我們可以分為以下幾種： 　　1、電能--機械能轉換，如：電動機，揚聲器，VCM音圈電機等； 　　2、機械能--電能轉換，如：發(fā)電機，受話器，測量儀表等； 　　3、機械能--機械能，如：磁分離，磁懸浮，磁傳動，磁吊磁吸盤等； 　　4、利用磁場的物理效應，如：磁共振，磁化除蠟，磁化節(jié)油等。 釹鐵硼主要的影響因素： ①環(huán)境溫度。由于燒結釹鐵硼具有負的溫度系數（αBr<-0。13%/℃，αHcj<-0。6%/℃），所以使用環(huán)境的瞬間最高溫度和持續(xù)最高溫度都會對磁體本身產生不同程度的退磁，包括可逆的和不可逆的，可恢復的和不可恢復的。 ②環(huán)境濕度。釹鐵硼本身是易腐蝕，氧化的，一般我們采取表面處理的方式來保護永磁體，但并不能從根本上解決環(huán)境濕度對磁體的影響。環(huán)境愈干燥，磁體的使用壽命就愈長久。[[] 朱后定.常用永磁材料的特性參數.常用材料及應用知識講座.2007年 ] 5.2 釹鐵硼的安裝注意 注意事項: 1． 磁鐵材料為釹鐵硼，磁性非常強，操作時應避免手或身體的其他部分被磁鐵夾住，對于尺寸較大的磁鐵更應重視人身安全和防護。 2． 切勿將磁鐵接近電子醫(yī)療器械或攜帶起搏器等醫(yī)療設備的人。 3． 磁鐵在使用過需確保工作場所潔凈，以免鐵屑等細小雜志吸附在磁鐵表面影響產品的正常使用。 4． 釹鐵硼磁鐵磁性非常強，如對其進行強烈沖擊，磁體會破碎并飛散，磁碎片可能會飛入眼中，小心使用。 5． 釹鐵硼磁鐵適宜存放在通風干燥的室內，酸性、堿性、有機溶劑、水中、高溫潮濕的環(huán)境容易使磁體產生銹蝕，鍍層脫落磁體粉化退磁。對于未電鍍的產品更應注意，存放時可適當涂油防銹。 6． 遇熱后，釹鐵硼磁鐵的磁性性能會大大降低。 7． 在使用或保管磁鐵時，避開含有腐蝕性氣體、導電性高的環(huán)境、酸性環(huán)境、有機溶劑等。否則會引起磁體腐蝕及磁性能和機械強度的減弱。 8． 磁體硬而脆，因此在用于振動、沖擊等場合時，可能會斷裂、脫落等現(xiàn)象 金陵科技學院學士學位論文 參考文獻 第6章 總結與展望 6.1 本文主要工作 本文首先建立起浮動磁座和固定磁座筋板的基礎模型，選擇安裝導向輪后，然后通過ANSYS MAXWELL有限元模塊MAXWELL 2D對永磁磁懸浮裝置進行靜態(tài)分析、ANSYS有限元對永磁裝置的結構進行靜力學分析，最后對永磁磁懸浮演示裝置的進行結構優(yōu)化，做出符合要求的永磁磁懸浮裝置。 整個實驗的核心在于裝置的力學特征分析，確定裝置的豎直方向受到的最大磁力以及承重板在500MPA下的最大變形。另外裝置選擇及優(yōu)化，零件加工工藝、永磁安裝方式也是裝置設計的關鍵。 通過本次的永磁磁懸浮裝置結構設計，我們不難發(fā)現(xiàn)永磁磁懸浮在懸浮力、經濟性、平衡性、環(huán)境適應性這些方面擁有極大的優(yōu)勢，并且裝置的系統(tǒng)結構簡單，值得在更多的行業(yè)領域進行推廣。 6.2 展望 通過本次永磁磁懸浮裝置的結構設計，我們覺得永磁磁懸浮技術相對于常導、超導來說降低了對電力的依賴，減少了能耗。并且永磁磁懸浮的裝置相對的簡單，促使它可以在更復雜的環(huán)境中可以運用，并且經濟性好，結構穩(wěn)定。 我們認為未來的永磁磁懸浮的發(fā)展方向是針對于更復雜的自然環(huán)境或者工作環(huán)境裝置開發(fā)相對應的裝置，以及在現(xiàn)今技術相對成熟的領域中在使用結構進行簡化或者進行結構的升級，以便于達到更好的機械性能。永磁技術的發(fā)展另一方面是在于永磁材料技術的進步，物理性能更好、經濟性更佳的材料對于該技術的推廣是至關重要。 磁懸浮列車一直以來是該行業(yè)的關注熱點，永磁磁懸浮技術擁有其他磁懸浮技術無可取代的優(yōu)勢。在下一代磁懸浮列車的開發(fā)中，永磁技術有很大的可能性投入使用，改善現(xiàn)在磁懸浮列車的噪音和能耗缺陷。 磁懸浮軸承則是我國國計民生的重點項目，我國的該項技術目前還處于實驗室研究階段和少部分行業(yè)運用中，我們一致希望盡快開發(fā)出真正可以產業(yè)化的大型磁懸浮軸承，滿足工業(yè)生產的實際需要，保證生產的穩(wěn)定性。 總之，永磁磁懸浮技術終究會以其結構優(yōu)勢進入我們的生產生活中。 參考文獻 [1] 李維暉，張宏.磁懸浮裝置的設計與研究. 北京. 北京理工大學 [2] 劉強.典型零件加工工藝分析.無錫.無錫技術師范學院 [3] 成大先 機械設計手冊 第一卷..化學工業(yè)出版社 [4] 張士勇.磁懸浮技術的應用現(xiàn)狀與展望..長安大學基礎部 [5] 張巖.ANSYS.WORKBENCE 15.0.有限元分析.機械工業(yè)出版社.2014 [6] 毛保華、黃榮、賈順平.磁懸浮技術在中國的應用前景分析.北京交通 大學 [7] 許進峰.ANASY.WORKBENCE 15.0.完全自學一本通.電子工業(yè)出版社.201 [8] 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