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研究生:張家綸
研究生(外文):Chia-Lun Chang
論文名稱:雙邊油磁混合式動壓軸承低轉速特性研究
論文名稱(外文):The Characteristics Study of Bilateral Oil Magnetic Hybrid Hydrodynamic Bearings Rotor System in Low Speed
指導教授:范憶華
指導教授(外文):Fan, Yi-Hua
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:94
中文關鍵詞:油磁混合式動壓軸承流體動壓軸承被動式磁浮軸承
外文關鍵詞:Fluid Hydrodynamic BearingsMagnet-Fluid Hybrid Hydrodynamic BearingsPassive Magnetic Bearing
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在轉動機械內,主軸須使用軸承作為支撐系統。其中流體動壓軸承因有極低的噪音、較高之精度、抗震能力強與壽命較長及適合用於長時間運轉等優點,常在大負載狀況或連續運轉狀況下被選擇使用。但流體動壓軸承於啟動及低速運轉期間軸承承載性能較差,易因乾磨擦現象造成軸承與軸頸之磨損。因此本研究為改良動壓軸承此部份之缺點,外加一被動式磁浮軸承,成為一油磁混合式動壓軸承,使其在啟動及低轉速也能維持一定之油膜厚度,避免產生乾磨擦現象以增加流體動壓軸承之使用度。
本研究針對流體動壓軸承進行研究改良,透過永久磁鐵所提供磁力支承主軸,消除流體動壓軸承主軸在啟動及低轉速時承載力不足所造成的摩擦現象,以提高軸承壽命。首先提出數種不同之永久磁鐵組合型式進行磁場模擬分析,研究磁鐵位置變化對磁力之影響,並針對被動式磁浮軸承之表現,提出一適用之油磁混合式動壓軸承設計建議。此混合式軸承在停機與低速運轉時仍能提供一懸浮力使軸頸與軸承間保持一微小間隙,因此不會有乾磨擦現象,進而提高了軸承之壽命。
The spindles need to use the bearings to suspense the rotor in the rotating machines. In these bearing systems, the fluid hydrodynamic bearings with low noise, high precision, low vibration, long lifetime, and suitable running in the long time operation are more commonly be used in the heavy load system or the long time operation systems.The load capacity of the fluid hydrodynamic bearings as starting or operating at low speed are very small. The phenomenon of dry rub in the bearing and journal will occur and would damage the rotor system. Therefore, in this study, we wish to propose a passive magnetic bearing to combine with the fluid hydrodynamic bearings to improve the drawback to make the magnet-fluid hybrid hydrodynamic bearings could maintain better characteristics as the rotor system is starting or operating at low speed.
In this study, the goal is to improve the load capacity of the fluid hydrodynamic bearings by an auxiliary magnetic force from the permanent magnets to promote the lifetime of bearings. Several combination types of the permanent magnets were proposed. By simulation analysis of the magnetic field, the relationship of magnetic forces and positions of magnets can be calculated. Then we can design a suitable passive magnetic bearing on hydrodynamic bearing to be a hybrid bearing to support the rotor. The hybrid bearing can provide magnetic forces to support the spindle suspending in the hydrodynamic bearing with a little gapes. It will make the rotor and the stator would not contact as they are not running or at a low running speed. Thus there have no dry friction in the bearing and the lifetime of the bearing will be promoted.
Keywords: Fluid Hydrodynamic Bearings, Passive Magnetic Bearing, Magnet-Fluid Hybrid Hydrodynamic Bearings.
目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
圖目錄 V
表目錄 XI
第一章緒論 1
1.1前言 1
1.2研究目的與動機 2
1.3文獻回顧 3
1.4論文架構 5
第二章流體動壓軸承 6
2.1流體軸承介紹 6
2.2液體動壓軸承 7
2.3 雷諾方程[32] 8
2.4 液柱的流動連續性 10
2.5 原件平衡 12
2.6 雷諾方程式化簡 15
2.7 油膜厚度 16
第三章磁浮軸承 20
3.1磁浮軸承的種類 20
3.2永久磁鐵介紹 20
3.3 被動式磁浮軸承[33] 21
第四章被動式磁浮軸承斥力分析 27
4.1分析模型 28
4.1.1第一種模型 28
4.1.2 第二種模型 29
4.1.3 第三種模型 30
4.1.4第四種模型 31
4.1.5第五種模型 32
4.1.6第六種模型 33
4.1.7第七種模型 34
4.2斥力值 35
4.2.1 第一種模型 35
4.2.2 第二種模型 41
4.2.3第三種模型 47
4.2.4第四種模型 53
4.2.5第五種模型 59
4.2.6第六種模型 65
4.2.7第七種模型 71
4.3分析結果與討論 78
第五章結論與未來展望 80
5.1結論 80
5.2未來展望 80
參考文獻 81
圖目錄
圖2-1 液體動壓軸承轉動示意圖 7
圖2-2 漸縮楔的速度型態 8
圖2-3 速度型態與壓力 9
圖2-4 液柱的流動連續性 11
圖2-5 元件力的平衡 12
圖2-6 流體動壓軸承壓力分布示意圖 17
圖2-7 頸軸承形態 17
圖3-1磁偶極子在直角座標系統中的位置 22
圖3-2徑向永久磁軸承 23
圖3-3軸向永久磁軸承 24
圖3-4被動式磁浮軸承示意圖 24
圖3-5永久磁鐵之等效電流模型 25
圖4-1雙邊油磁混合式動壓軸承 28
圖4-2第一種模型 28
圖4-3磁化方向 29
圖4-4氣隙大小 29
圖4-5第二種模型 29
圖4-6第三種模型 30
圖4-7磁化方向 30
圖4-8氣隙大小 30
圖4-9第四種模型 31
圖4-10第五種模型 32
圖4-11磁化方向 32
圖4-12氣隙大小 32
圖4-13第六種模型 33
圖4-14第七種模型 34
圖4-15磁化方向 34
圖4-16氣隙大小 34
圖4-17模型一氣隙6mm剖面圖 35
圖4-18模型一氣隙大小1mm 磁場(左) 斥力值(右) 36
圖4-19模型一氣隙大小2mm 磁場(左) 斥力值(右) 36
圖4-20模型一氣隙大小3mm 磁場(左) 斥力值(右) 37
圖4-21模型一氣隙大小4mm 磁場(左) 斥力值(右) 37
圖4-22模型一氣隙大小5mm 磁場(左) 斥力值(右) 38
圖4-23模型一氣隙大小6mm 磁場(左) 斥力值(右) 38
圖4-24模型一氣隙大小7mm 磁場(左) 斥力值(右) 39
圖4-25模型一氣隙大小8mm 磁場(左) 斥力值(右) 39
圖4-26模型一氣隙大小9mm 磁場(左) 斥力值(右) 40
圖4-27模型一氣隙大小10mm 磁場(左) 斥力值(右) 40
圖4-28模型二氣隙10mm剖面圖 41
圖4-29模型二氣隙大小1mm 磁場(左) 斥力值(右) 42
圖4-30模型二氣隙大小2mm 磁場(左) 斥力值(右) 42
圖4-31模型二氣隙大小3mm 磁場(左) 斥力值(右) 43
圖4-32模型二氣隙大小4mm 磁場(左) 斥力值(右) 43
圖4-33模型二氣隙大小5mm 磁場(左) 斥力值(右) 44
圖4-34模型二氣隙大小6mm 磁場(左) 斥力值(右) 44
圖4-35模型二氣隙大小7mm 磁場(左) 斥力值(右) 45
圖4-36模型二氣隙大小8mm 磁場(左) 斥力值(右) 45
圖4-37模型二氣隙大小9mm 磁場(左) 斥力值(右) 46
圖4-38模型二氣隙大小10mm 磁場(左) 斥力值(右) 46
圖4-39模型三氣隙6mm剖面圖 47
圖4-40模型三氣隙大小1mm 磁場(左) 斥力值(右) 48
圖4-41模型三氣隙大小2 mm 磁場(左) 斥力值(右) 48
圖4-42模型三氣隙大小3mm 磁場(左) 斥力值(右) 49
圖4-43模型三氣隙大小4 mm磁場(左) 斥力值(右) 49
圖4-44模型三氣隙大小5 mm磁場(左) 斥力值(右) 50
圖4-45模型三氣隙大小6 mm磁場(左) 斥力值(右) 50
圖4-46模型三氣隙大小7 mm磁場(左) 斥力值(右) 51
圖4-47模型三氣隙大小8 mm磁場(左) 斥力值(右) 51
圖4-48模型三氣隙大小9 mm磁場(左) 斥力值(右) 52
圖4-49模型三氣隙大小10 mm磁場(左) 斥力值(右) 52
圖4-50模型四氣隙10mm剖面圖 53
圖4-51模型四氣隙大小1mm 磁場(左) 斥力值(右) 54
圖4-52模型四氣隙大小2mm 磁場(左) 斥力值(右) 54
圖4-53模型四氣隙大小3mm 磁場(左) 斥力值(右) 55
圖4-54模型四氣隙大小4mm 磁場(左) 斥力值(右) 55
圖4-55模型四氣隙大小5mm 磁場(左) 斥力值(右) 56
圖4-56模型四氣隙大小6mm 磁場(左) 斥力值(右) 56
圖4-57模型四氣隙大小7mm 磁場(左) 斥力值(右) 57
圖4-58模型四氣隙大小8mm 磁場(左) 斥力值(右) 57
圖4-59模型四氣隙大小9mm 磁場(左) 斥力值(右) 58
圖4-60模型四氣隙大小10mm 磁場(左) 斥力值(右) 58
圖4-61模型五氣隙2mm剖面圖 59
圖4-62模型五氣隙大小1mm 磁場(左) 斥力值(右) 60
圖4-63模型五氣隙大小2mm 磁場(左) 斥力值(右) 60
圖4-64模型五氣隙大小3mm 磁場(左) 斥力值(右) 61
圖4-65模型五氣隙大小4mm 磁場(左) 斥力值(右) 61
圖4-66模型五氣隙大小5mm 磁場(左) 斥力值(右) 62
圖4-67模型五氣隙大小6mm 磁場(左) 斥力值(右) 62
圖4-68模型五氣隙大小7mm 磁場(左) 斥力值(右) 63
圖4-69模型五氣隙大小8mm 磁場(左) 斥力值(右) 63
圖4-70模型五氣隙大小9mm 磁場(左) 斥力值(右) 64
圖4-71模型五氣隙大小10mm 磁場(左) 斥力值(右) 64
圖4-72模型六氣隙9mm剖面圖 65
圖4-73模型六氣隙大小1mm 磁場(左) 斥力值(右) 66
圖4-74模型六氣隙大小2mm 磁場(左) 斥力值(右) 66
圖4-75模型六氣隙大小3mm 磁場(左) 斥力值(右) 67
圖4-76模型六氣隙大小4mm 磁場(左) 斥力值(右) 67
圖4-77模型六氣隙大小5mm 磁場(左) 斥力值(右) 68
圖4-78模型六氣隙大小6mm 磁場(左) 斥力值(右) 68
圖4-79模型六氣隙大小7mm 磁場(左) 斥力值(右) 69
圖4-80模型六氣隙大小8mm 磁場(左) 斥力值(右) 69
圖4-81模型六氣隙大小9mm 磁場(左) 斥力值(右) 70
圖4-82模型六氣隙大小10mm 磁場(左) 斥力值(右) 70
圖4-83模型七氣隙1mm剖面圖 71
圖4-84模型七氣隙大小1mm 磁場(左) 斥力值(右) 72
圖4-85模型七氣隙大小2mm 磁場(左) 斥力值(右) 72
圖4-86模型七氣隙大小3mm 磁場(左) 斥力值(右) 73
圖4-87模型七氣隙大小4mm 磁場(左) 斥力值(右) 73
圖4-88模型七氣隙大小5mm 磁場(左) 斥力值(右) 74
圖4-89模型七氣隙大小6mm 磁場(左) 斥力值(右) 74
圖4-90模型七氣隙大小7mm 磁場(左) 斥力值(右) 75
圖4-91模型七氣隙大小8mm 磁場(左) 斥力值(右) 75
圖4-92模型七氣隙大小9mm 磁場(左) 斥力值(右) 76
圖4-93模型七氣隙大小10mm 磁場(左) 斥力值(右) 76
表目錄
表2-1 軸承總類對比表 6
表4-1 模型一氣隙-斥力值 41
表4-2 模型二氣隙-斥力值 47
表4-3 模型三氣隙-斥力值 53
表4-4 模型四氣隙-斥力值 59
表4-5模型五氣隙-斥力值 65
表4-6模型六氣隙-斥力值 71
表4-7 模型七氣隙-斥力值 77
表4-8分析結果 78
表4-9徑向力及軸向力比較 79
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