离心机永磁轴承仿真系统自动化建模研究与实现

作者：郭克希 饶显俊

欢迎访问e展厅 展厅 3 滚动轴承展厅 深沟球轴承, 回转支承轴承, 调心球轴承, 推力球轴承, 调心滚子轴承, ... 离心分离技术是一种广泛采用的提纯手段，一定程度上，纯度与离心机转子转速密切相关。由于受到传统滚动轴承机械性能的限制，目前国内离心机转速不超过22 000 r/min。永磁轴承具有高速度、高精度、无磨损、低功耗等优良特性，可以满足转子转速为25000-10000r/min的高速离心机分离提纯的使用要求，也可广泛用于生物技术、航天航空、机械加工、转子动力学特性辨识与测试等领域，有着广阔的市场应用前景。到目前为止，对永磁轴承的性能研究已经做了多方面工作，其结构设计及系列化，也是永磁轴承应用推广的一个研究问题。本文中所研究的离心机永磁轴承试验仿真系统中的永磁轴承模型，就是根据永磁轴承的作用原理，设计出轴承的结构，利用三维设计软件SolidWorks建立永磁轴承参数化模型，进而利用VB语言编程和API ( Application Programming Interface)接口函数进行SolidWorks的二次开发，实现了永磁轴承模型的自动建立，为永磁轴承有限元分析提供了三维仿真模型。 1 离心机转子系统 离心机的提纯精度受转子转速的限制，而轴承的承载能力又是选用高性能的动力驱动设备的一个瓶颈条件。由于传统的滚动轴承承载能力有限，以期离心机的转子系统能达到更高转速，用永磁轴承来替代传统的滚动轴承，是解决该问题的一个具有研究潜力的方法。用永磁轴承支撑的离心机转子主轴系统如图1所示。永磁轴承的结构具有径向和止推的双向作用。根据目前国内外对磁性材料的研究，永磁轴承的定子和转子材料选用稀土钕铁硼（NeFeB）高强度的永磁材料。 2离心机永磁轴承试验仿真系统 离心机永磁轴承试验仿真系统是离心机中永磁轴承的结构设计与性能分析的模拟试验系统，利用仿真技术和程序设计开发工具，对所设计的永磁轴承进行有效试验仿真，为永磁轴承的设计提供依据。离心机磁轴承试验仿真系统包括:人机交互接口、结构设计、仿真分析、结果处理4个部分。结构设计中又包括零部件设计、装配体设计和工程图3个部分。该仿真系统的设计是以永磁轴承零部件和装配体为研究对象，它也是有限元分析和虚拟样机试验的基础。因此，轴承零部件模型的建造与装配至关重要，直接影响永磁轴承的静动特性分析，是离心机永磁轴承仿真系统的关键技术。 该试验仿真系统具有良好的人机交互界面，如图2所示。进入到仿真系统的结构设计模块，用户只需要输入结构的参数，系统便可以自动建模，如图3所示。 3 永磁轴承结构设计自动建模 3.1 永磁轴承库建模的流程 永磁轴承库的建模流程是进行建模的基本依据，引导设计的先后步骤一个优化的建模流程，可以使得永磁轴承库的设计步骤明确、内容完备。在该试验仿真系统的永磁轴承库模块中，建模采用树杈形式的建模流程，磁力轴承库是树根节点，推力轴承、向心轴承和向心推力轴承3种系列作为其1级分支，各种形式的轴承又有2个2级分支，在利用SolidWorks软件建模时，每一种轴承模型又包括零部件图、工程图和爆炸动作图3个部分作为3级分支。该永磁轴承库建模具体的流程图如图4所示，图中省略号表示该级分支内容与同系列的轴承该级分支内容相同。 3.2 建立参数化模型 首先在solidworks软件环境中建立永磁轴承的特征模型。以图4所示的永磁轴承库建模的流程图为依据，按照零部件草绘、建立装配图、生成工程图的步骤，以向心推力轴承-为例，来说明参数化模型的建立过程。 参数化建模是在特征建模的基础上形成的。通过SolidWorks【工具/宏操作】中选择"录制"，就可 以对生成模型的过程进行宏文件和应用程序的生成。根据永磁轴承的结构，首先依次建立各零部件的三维模型，其次建立零件的装配图。采用由内至外的顺序，装配体总体上可分为以永磁轴承转子为主体的悬浮部分和以定子为主体的固定部分，完成向心推力轴承一的虚拟装配模型，渲染后的剖面图如图5所示。最后对特征模型所标注的尺寸名称进行修改，尺寸的名称尽量是有意义的表达，便于二次开发时VB程序中变量的使用。停止宏文件录制，编辑宏录制的程序代码，找出宏文件中建模过程的关键函数，确定关键常数，弄清楚关键常数的变化对实体模型的影响，把关键常数用变量来替换，删除宏文件中不必要的操作过程，一个参数化的永磁轴承模型便建立了。 3．3仿真系统永磁轴承自动建模的实现 仿真系统中永磁轴承的自动建模是通过利用VB语言对SolidWorks的二次开发实现的。先要在VB集成环境中，通过命令【工程/引用】对话框中勾选solidworks 2006 Type Library完成有关类型库的引用，才能通过ActiveX Automation访问SolidWorks提供的主要对象。在VB编辑器中修改宏程序，利用尺寸驱动法的原理，将零件的尺寸标注看作变量，通过尺寸参数值的变化来生成结构相同而参数不同的零件族。如图5所示的永磁轴承的仿真模型，部分自动建模程序如下: 以上的代码就是自动建模装配实现的基础，具体的实例如图3所示。当用户输入要求的参数后，可以在指定区域预览到三维模型。把二次开发的应用程序打包，制作成可执行文件，便可以安装运行。 4 结束语 在离心机永磁轴承仿真系统的结构模块中，零部件的自动装配是一个关键点。利用SolidWorks三维设计软件与VB语言编程相结合，实现永磁轴承模型的自动建立，目前，国内对永磁轴承性能、材料及有限元分析等研究已经做了很多工作，但是永磁轴承结构如何实现系列化建模有待解决。本文的研究不仅是离心机永磁轴承仿真系统的基础，也丰富了高速离心机和永磁轴承的研究内容，为提高离心机转子转速的研究探索新的设计分析方法提供参考。 (end)

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