本发明属于机电一体化产品设计，具体涉及一种五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法。
背景技术：
1、传统轴承的机械接触传力方式限制了旋转机械转速和寿命的进一步提升，难以满足工业应用的需求。磁悬浮轴承可以突破传统轴承的束缚，为旋转机械提供更广阔的性能提升空间。磁悬浮轴承是一种新型高性能轴承，是典型的机电一体化产品，具有线速度高、发热少、功耗低、无需润滑系统、长寿命、可工作在极端环境下等优势。此外，磁悬浮轴承具有极佳的主动振动抑制能力，可提供较低的径向刚度，允许转子在高速下实现自定心以达到自动平衡效果。
2、随着现代工业的不断发展，高速旋转机械成为目前主流趋势，磁悬浮轴承作为一种重要高速选择机械支撑方式，高速旋转机械的发展对比磁悬浮轴承的设计也提出了更多的要求。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，可快速、高效的完成五自由度电励磁磁悬浮轴承的初步设计与验证。
2、本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
3、一种五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，所述方法的步骤为：
4、s1、确定电机的基本性能参数、电机转子结构参数和五自由度磁悬浮轴承设计指标，所述电机的基本性能参数包括额定功率、额定转速和额定转矩；所述电机转子结构参数包括转轴平均外径尺寸和电机气隙长度；所述五自由度磁悬浮轴承设计指标包括磁轴承气隙要求、磁轴承承载力要求、饱和磁密要求和体积限制；
5、s2、基于所述s1的电机基本性能参数和电机转子结构参数，对于径向磁悬浮轴承通过数学推导确定转子结构参数，所述转子结构参数包括磁轴承轴段的内、外径dri、dro和气隙长度δr，并同时进行考虑过盈量作用的转子强度校核；
6、s3、基于所述s1的全部给定参数，对于轴向磁悬浮轴承通过数学推导确定转子结构参数，所述转子结构参数包括推力盘外径da、推力盘厚度ta和气隙长度δa，并同时进行推力盘强度校核；
7、s4、基于所述s1的五自由度磁悬浮轴承设计指标，对于径向磁悬浮轴承通过数学推导确定定子结构参数和绕组参数，所述定子结构参数包括极数、轴向长度lr、定子内外径、定子齿宽和定子轭宽，所述绕组参数包括匝数、线径、电密和槽满率；
8、s5、基于所述s1的五自由度磁悬浮轴承设计指标和所述s3的转子结构参数，对于轴向磁悬浮轴承通过数学推导确定定子结构参数和绕组参数，所述定子结构参数包括轴向长度la、等效槽深度、等效槽宽度ha、大圆环宽度tda1、小圆环宽度tda2，所述绕组参数包括匝数、线径、电密和槽满率；
9、s6、基于所述s1的基本性能参数和所述s2～s4的径向、轴向磁悬浮轴承设计结果，通过数学推导得到轴向总长度l，并同时进行临界转速校核；
10、s7、根据不同设计目标对初步设计结果中的径向磁悬浮轴承全部参数和轴向磁悬浮轴承绕组参数进行调整以满足批量化设计需求。
11、而且，所述径向磁悬浮轴承限定于4的整数倍极数的电励磁非特异性结构；所述轴向磁悬浮轴承限定于非冗余的同心单环式结构。
12、而且，所述步骤s2中转子结构参数具体推导步骤为：
13、s21.径向磁悬浮轴承的气隙长度δr由电机转子轴径参数、定子外径、电机功率等级等作为参考，根据经验取得，一般取0.1～1mm；
14、s22.径向磁悬浮轴承的磁轴承轴段的内、外径dri、dro由电机转子轴径参数，根据经验取得，经验系数一般取0.8～1.2；
15、s23.内、外径dri、dro的选取存在限幅值，近似认为与电机转子轴径参数算法相同；对于轴径下限drmin表示为：
16、
17、式中，τr表示许用切应力，一般取40～60；tn表示额定转矩；
18、轴径上限drmax表示为：
19、
20、式中，σs表示材料能承受的屈服应力，应以所有部件材料中最小值进行考量；ρ表示材料的密度，以屈服应力最小部件的密度作为参考；ωn表示额定转速的角速度形式；cs作为计算系数表示为：
21、
22、式中，ν表示材料的泊松系数。
23、而且，所述步骤s2中考虑过盈量作用的转子强度校核的具体步骤为：
24、径向磁悬浮轴承的转子叠片可等效为厚壁圆筒结构，其过盈量和其对应的径向应力关系为：
25、
26、式中，ein、eout为径向磁悬浮轴承转子轴段和转子叠片的弹性模量；cin、cout为径向磁悬浮轴承转子轴段和转子叠片的刚性系数，具体公式为：
27、
28、式中，μin、μout为径向磁悬浮轴承转子轴段和转子叠片的泊松比，根据实际情况一般选择基于第三强度理论对径向磁悬浮轴承转子轴段做塑型变形校验，具体公式为：
29、
30、式中，σout为径向磁悬浮轴承转子叠片的屈服极限；设计时应合理选取过盈量并根据公式对于径向应力进行校核。
31、而且，所述步骤s3中转子结构参数具体推导步骤为：
32、s31.轴向磁悬浮轴承的推力盘外径da由定子外径作为参考，根据经验取得，经验系数一般取1～1.2；
33、s32.轴向磁悬浮轴承的推力盘厚度ta由推力盘外径da作为参考，根据经验取得，经验系数一般取0.05～0.1；
34、s33.轴向磁悬浮轴承的气隙长度δa由电机转子轴径参数、定子外径、承载力要求等作为参考，根据经验取得，一般取0.1～1mm。
35、而且，所述步骤s3中推力盘强度校核的具体步骤为：
36、整体式结构的轴向磁悬浮轴承推力盘等效为均匀载荷环形板模型，受气隙尺寸等外界条件限制，推力盘一般不认为其会达到屈服极限；因此，主要校核其变形量，其相对于初始位置的变形量具体表示为：
37、
38、式中，αa表示无量纲挠度系数，通过查询环形板模型经验计算曲线获得；fa表示计算电磁力；eth表示推力盘的弹性模量；aa3表示推力盘所对应的环形面积；校核时，应选取轴向磁悬浮轴承结构参数直到算得变形量不超过气隙本身数值的5％。
39、而且，所述步骤s4中定子结构参数和绕组参数具体推导步骤为：
40、s41.径向磁悬浮轴承的极数以五自由度磁悬浮轴承设计指标作为参考，根据经验选取，一般选择4的整数倍；
41、s42.径向磁悬浮轴承的轴向长度lr以五自由度磁悬浮轴承设计指标和电机的基本性能参数作为参考，根据经验选取，一般应对中小型电机悬浮工况选择15～100mm；
42、s43.径向磁悬浮轴承的定子齿宽以极数和五自由度磁悬浮轴承设计指标作为参考，根据经验选取；对于可能存在的不对称磁极的情况，需选择主副磁极比作为定子齿宽的附加定义；径向磁悬浮轴承的定子轭部尺寸主要以定子齿宽为参考，根据经验选取，经验系数一般取1～2；
43、s44.径向磁悬浮轴承的绕组参数之间的关系具体表示为：
44、nrir＝λracurjr
45、式中，nr表示绕组匝数；ir表示绕组通过的额定偏置电流；λr表示绕组槽满率；acur表示定子磁极间的线圈腔面积；jr表示绕组的电流密度；电流和电密之间的关系具体表示为：
46、
47、式中，dr表示包含绝缘层的总线径；
48、应对中小型电机悬浮工况时，jr一般取2～6a/mm2；λr一般取0.4～0.7；查表选择线径尺寸后，根据五自由度磁悬浮轴承设计指标确定匝数nr的绝对值。
49、而且，所述步骤s5中定子结构参数和绕组参数具体推导步骤为：
50、s51.径向磁悬浮轴承的轴向长度la以五自由度磁悬浮轴承设计指标和电机的基本性能参数作为参考，根据经验选取，一般应对中小型电机悬浮工况选择15～80mm；
51、s52.径向磁悬浮轴承的等效槽深度主要由绕组参数和五自由度磁悬浮轴承设计指标决定，需根据经验选择且避免磁路饱和；
52、s53.等效槽宽度ha、大圆环宽度tda1、小圆环宽度tda2可以通过“等面积原则”划定选取范围，轴向磁悬浮轴承的大环形面积具体表示为：
53、
54、轴向磁悬浮轴承的大环形面积具体表示为：
55、
56、“等面积原则”即在大环面积和小环面积近似相等时得到轴向磁悬浮轴承的等效槽宽度ha、大圆环宽度tda1和小圆环宽度tda2；
57、s54.轴向磁悬浮轴承绕组参数之间的关系与径向磁悬浮轴承相同。
58、而且，所述步骤s6中临界转速校核的具体步骤为：
59、磁悬浮轴承系统等效为两端自由杆件，其固有频率近似计算公式为：
60、
61、式中，aro表示转子等效面积；ρs表示转轴等效密度；es表示转轴等效弹性模量；j表示等效截面积相对中性轴的惯性矩；校核时，应反复调整转子结构参数以保证悬浮系统处在刚性工况中。
62、而且，步骤s2和s3中校核条件不通过时返回对应的上一级设计步骤，重新整合定转子参数直到校核通过；步骤s6中校核条件显示为柔性转子时返回各自的设计步骤重新整合定转子参数先通过步骤s2和s3中校核条件，再进行步骤s6中校核条件，直到全部校核通过则完成初步设计。
63、本发明的优点和有益效果为：
64、本发明所给出的设计方法意在快速、高效的完成五自由度电励磁磁悬浮轴承的初步设计与验证。
1.一种五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
2.根据权利要求1所述的五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：所述径向磁悬浮轴承限定于4的整数倍极数的电励磁非特异性结构；所述轴向磁悬浮轴承限定于非冗余的同心单环式结构。
3.根据权利要求1所述的五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：所述步骤s2中转子结构参数具体推导步骤为：
4.根据权利要求1所述的五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：所述步骤s2中考虑过盈量作用的转子强度校核的具体步骤为：
5.根据权利要求1所述的五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：所述步骤s3中转子结构参数具体推导步骤为：
6.根据权利要求1所述的五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：所述步骤s3中推力盘强度校核的具体步骤为：
7.根据权利要求1所述的五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：所述步骤s4中定子结构参数和绕组参数具体推导步骤为：
8.根据权利要求1所述的五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：所述步骤s5中定子结构参数和绕组参数具体推导步骤为：
9.根据权利要求1所述的五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：所述步骤s6中临界转速校核的具体步骤为：
10.根据权利要求1所述的五自由度电励磁磁悬浮轴承的设计方法，其特征在于：步骤s2和s3中校核条件不通过时返回对应的上一级设计步骤，重新整合定转子参数直到校核通过；步骤s6中校核条件显示为柔性转子时返回各自的设计步骤重新整合定转子参数先通过步骤s2和s3中校核条件，再进行步骤s6中校核条件，直到全部校核通过则完成初步设计。
