主動式磁浮軸承之分析

Abstract

完整而深入的特性分析是磁浮軸承應用成功之基礎。本論文針對永久磁 鐵/電磁鐵混合式磁浮軸承以及電磁鐵式磁浮軸承提出了完整的分析。對 於永久磁鐵/電磁鐵混合式磁浮軸承吾人採用總集磁路分析模式加以分析 ；有關混合式磁浮軸承之性能並表示成設計變數的函數。分析之重點著重 於磁浮軸承所能產生之最大靜態磁力、磁力對時間變化率之上限、軸承剛 性隨位移變化之情況以及磁浮軸承所產生之最大動態磁力大小等四方面。 另外，論文中對於永久磁鐵/電磁鐵混合式磁浮軸承及電磁鐵式磁浮軸承 之性能分析加以推廣到轉子在非中心位置之情況。對於此二種磁浮軸承之 特性比較顯示本文所研究之混合式磁浮軸承在軸承力對時間變化率之上限 及軸承剛性二方面較不受轉子位置變化及線圈電流大小之影響，而電磁鐵 式磁浮軸承則提供了較大的磁力及剛性。為了增加磁浮軸承之負載能力及 減低其大小與重量，吾人採用增加氣隙間磁通量密度的方式來達成此目標 ；然而此方式將使磁浮軸承在非線性區中運作。本論文以有限元素法發展 一套二維的電磁鐵式磁浮軸承分析程式，並以此程式探討二種不同型態電 磁鐵式磁浮軸承在高磁通量密度之情況下所表現的行為模式。論文中針對 鐵心材料之阻磁率、氣隙之大小、偏壓電流、轉子位移及磁浮軸承之幾何 尺寸等因素在決定電磁鐵式磁浮軸承線性及非線性特性時所扮演之角色作 深入的探討；對於磁浮軸承在水平及垂直方向產生的磁力耦合現象亦加以 研究。由研究之結果吾人發現一種方式可提高磁浮軸承出力大小並同時保 持軸承磁力對電流的線性特性：此方式為在軸承運作期間適當地改變偏壓 電流之大小。最後本論文提出一整體的最佳設計方法，此方法可同時設計 轉子尺寸、控制系統、以及磁浮軸承尺寸；控制器之設計是採用最佳控制 理論來完成。論文中以一擁有三個圓盤之轉子系統在受到衝擊負荷或轉子 本身偏心力負荷之情形來舉例說明此設計方法。由數值分析之結果發現此 設計方法可以找到一個最好的轉子-軸承系統：此系統可以使用較小的控 制電流達到較小的轉子晃動大小以及較快的系統時間響應。由此可證明本 論文所提設計方法之優越性。