微型抗磁軸承特性的研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)(Micro Electromechanical System,MEMS)是包含電子元件和其它微型實體(包括機械、熱、磁、流體、光學、化學、生物元件等)的集傳感器、執(zhí)行器、信號處理、通信、接口、控制電路以及電源于一體的系統(tǒng)。典型MEMS器件的特征尺寸大約在1μm-1cm之間,這種微型化的特點使得很多在宏觀尺度上無法應(yīng)用的物理原理在微觀尺度上找到了實現(xiàn)的可能性,常溫無源式抗磁懸浮就是其中之一.
　　 抗磁材料是磁化率為負

2、值的磁性材料,包括金、銀、銅、鉛,石墨、水、有機化合物等。根據(jù)Earnshaw定理,鐵磁材料以及順磁材料之間的作用力不足以獨立實現(xiàn)穩(wěn)定的磁懸浮。若引入抗磁材料,利用其對外磁場輕微的抵制作用,則可實現(xiàn)常溫下的無源穩(wěn)定磁懸浮.抗磁懸浮原理雖然在一些高精密的科學傳感器中有應(yīng)用,但由于抗磁材料的磁性過于微弱,無法提供足夠的承載力,在軸承中的應(yīng)用還尚未涉及。根據(jù)電磁力的尺度效應(yīng)分析可知,永磁體磁場梯度隨系統(tǒng)特征尺度的減小而反比增大,由于抗磁效應(yīng)正

3、比于磁場的梯度,抗磁懸浮得益于MEMS微小化的特點,可為微機械結(jié)構(gòu)提供簡單有效的支撐方法。
　　 微型抗磁軸承的研究涉及到電磁理論、材料科學、工程設(shè)計、加工工藝等多個學科,具有豐富的內(nèi)涵,為微機電系統(tǒng)軸承的設(shè)計提供了一條新思路。本文以建立微型抗磁軸承基本設(shè)計理論體系為目標,主要研究內(nèi)容包括:
　　 (1)在抗磁懸浮原理微尺度有效性論證的基礎(chǔ)上,研究了適應(yīng)微系統(tǒng)加工工藝的微型抗磁軸承基本設(shè)計方案,并根據(jù)磁場能量理論的計算結(jié)

4、果,研究了軸承設(shè)計參數(shù)對軸承承載力以及動力學參數(shù)的影響,探討了實現(xiàn)軸承穩(wěn)定懸浮的條件,提出了微型抗磁軸承優(yōu)化設(shè)計的方案；
　　 (2)抗磁軸承的非接觸式結(jié)構(gòu)需要非接觸式的阻尼減振方式,可行的方案包括氣膜阻尼以及電渦流阻尼。對于電渦流阻尼,本文根據(jù)抗磁軸承的結(jié)構(gòu)特性,采用薄板近似模型以及鏡像法建立了軸承電渦流的模型,分析了轉(zhuǎn)子軸向、徑向以及傾角方向電磁阻尼的特性,探討了電渦流阻尼對軸承旋轉(zhuǎn)損耗的影響,通過與氣膜阻尼的比較,論證了電

5、渦流阻尼器在微型抗磁軸承中應(yīng)用的可行性。
　　 (3)在對微型抗磁軸承動力學參數(shù)分析的基礎(chǔ)上,建立了軸承的轉(zhuǎn)子動力學模型,分析了不同工況和設(shè)計方案下的軸承動力學特性,提出了改進軸承動態(tài)穩(wěn)定性的方案。
　　 (4)針對非理想加工條件引起的抗磁軸承磁偏心進行了研究,探討了永磁體的不對稱磁化以及抗磁材料磁性不均勻?qū)S承性能的影響,并分析了軸承的旋轉(zhuǎn)損耗特性。
　　 (5)對抗磁軸承的基本振動特性進行實驗研究。