To satisfy the requirement of magnetically suspended control moment gyroscope (MSCMG) that magnetic bearing can provide torque, a novel 4DOF hybrid magnetic bearing (HMB) with integrated structure was designed. Mathematical models of forces and torques are established by using equivalent magnetic circuit method. The current stiffness, displacement stiffness, tilting current stiffness and angular stiffness of the 4DOF hybrid magnetic bearing are derived by the mathematical models. Equivalent magnetic circuit method and finite element method (FEM) simulation results indicate that the force has a good linear relationship with both displacement and current, and the torque has a good linear relationship with angular displacement and current. The novel 4DOF HMB is capable of achieving control in both two radial translational degrees of freedom (DOF) and also two radial rotational DOFs. The 4DOF HMB is well adapted to MSCMG system, exhibiting advantages in the controllable DOF, light weight and easy to control.
Flywheel energy storage systems (FESS) have advantages over other types of energy storage methods due to their infinite charge/discharge cycles and environmental friendliness. The system has two radial bearings and one hybrid-thrust bearing. Thrust hybrid-type bearing use permanent magnet to relieve gravity load. The radial bearings were designed to provide sufficient force slew rate considering the unbalance disturbance at the operating speeds. In this paper, we will derive dynamic model of hybrid-type bearing using permanent magnet for thrust bearing and present simulation and stability of the model.
This paper presents theoretical analysis of the NRRO(non-repeatable run-out) for a ball bearing with geometric imperfection. The 3DOF dynamic analysis of a ball bearing using the Newton-Raphson method is performed to calculate the displacement of shaft center. Frequency and magnitude characteristics of radial and axial vibrations are investigated. The ball form errors of the ball, the inner race, and the outer race in a HDD spindle ball bearing are precisely measured. NRRO of a ball bearing is analyzed by using the measured waviness data. It is concluded that dominant components of radial vibrations are ${\Large}f_c\;and\;2{\Larg}f_b{\pm}{\Large}f_c$, and dominant component of axial vibrations is $2{\Large}f_b$. These are generated by the size error and the second waviness of the balls.
Air bearing is characterized by its extremely low friction and cleanliness such that it is widely used especially for spindles with ultra-high rotational speed at several tens of thousands rpm. This paper contributes to design of a static radial air bearing suggesting numerical analysis to anticipate its performances. The numerical analysis is an iteration method based on finite difference formulation of the Reynolds equation. A prototype air bearing has been designed and manufactured. Its load capacity has been measured and compared with the numerical solutions. The result shows good consistency between the experiment and theory, which informs that the numerical analysis can be used as an useful tool to anticipate the performances. Effects of design variables on the bearing performance have been examined by Taguchi's experimental methods using orthogonal array. Number of holes for supplying pressurized air, clearance between shaft and bearing, the hole diameter and bearing length are chosen for the design variables. The result shows that the clearance and the bearing length are the most influential variables while the others can be considered as almost negligible.
Recently, the high speed rotation and accuracy is needed in the field of electro-optic devices. But it is difficult for ball bearing to satisfy such conditions. So, we have developed the hemispherical type aerodynamic bearing for LSU(Laser Scanning Unit) motor. The hemispherical type aerodynamic bearing is able to support radial and axial load simultaneously. In this research, We have developed mass production method and tested the perromance of aerodynamic bearing in comparision with ball bearing at the speed of 23,000rpm. In the result, we proved that the properties of aerodynamic bearing is better than ball bearing's.
The ball bearings are the widely-used machine elements in many machineries. They support not only the radial and the axial force but also the moment in many cases. To simply determine the limit load which can be maintained on an ball bearing or survived in wanted life, the combined the radial and axial force with the moment is converted to the equivalent radial or axial load. However, it is not easy to calculate the equivalent load on the ball bearings. So the simplified equations to evaluate the dynamic and static equivalent load considering the axial force and moment are proposed in this analysis. And the modified equation for the static equivalent radial load with the moment and the axial load is proposed. It is desired that these equations are effectively refered in designing the machineries where the ball bearings are installed.
A hybrid self-hearing motor, which Is a functional combination of general permanent magnet (PM) motor and hybrid active magnetic bearing(AMB), was proposed a few years ago. In this paper the hybrid self-bearing motor is modified to a disk type, in which one of two magnetic hearings was substituted for a thin yoke to make the system more compact. An outer rotors in this self-hearing motor is actively controlled only in two radial directions while the ocher motions are passively salable owing to the disk-type structure. Main advantages of the proposed self-hearing motor are simple control mechanism, low power consumption and smart structure. Mathematical model for the magnetic force Is built wish consideration of the radial displacement of the rotor. The model helps us not only to design a levitation controller but also to expect the system performance. Some experimental results show good capability and feasibility of the Proposed self-bearing motor.
For magnetically suspended flywheel (MSFW) with gimballing capability, demerits of Lorentz force-type magnetic bearings and common reluctance force-type magnetic bearings are analyzed, a novel reluctance forcetype magnetic bearing (RFMB) including radial and axial magnetic bearing units with 4 separate biased permanent magnets and two conical stators is presented. By equivalent magnetic circuits' method, its magnetic properties are analyzed. To reduce the eddy loss, it was designed as radial poles with shoes and its rotor made of Iron-based amorphousness. Although the uniformity of magnetic flux density in the conical air gap determines mainly the additional tilting torque, the maximum additional tilting torques is 0.05Nm and the rotor tilting has no influence on its forces when the rotor tilts or the maximum changes does not exceed 14% when the rotor drifts and tilts simultaneously. The MSFW with this RFMB can meet the maneuvering requirement of spacecraft theoretically.
Flexure bearings have been used in linear-resonant compressors to maintain a non-contacting clearance seal between the piston and cylinder. There are two types of tangential cantilever bearing and spiral arm bearing with flexure bearings. A newly devised linear flexure bearing (KIMM-Ml) for compression refrigeration machines is disclosed having improved tight gas clearance maintaining capability for better system performance. KIMM-Ml is an integrated device comprising an axially moving diaphragm with circumferentially arranged arc-shaped flexure blades secured between rim and hub spacers, which turn out to have higher radial stiffness than the one with circumferential tangential cantilever flexure blades. It is expected for KIMM-Ml to play a key role in designing long life, special purpose compression refrigeration machines by providing frictionless, non-wearing, linear movement and radial support for the machines as well as a gas clearance seal by maintaining extremely tight clearances between piston and cylinder.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제4권3호
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pp.5-11
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2003
A simulation model for radial magnetic bearings is presented. The model incorporates hysteresis, saturation and eddy current effects. A simple magnetization model that describes hysteresis and saturation is proposed. Eddy currents are taken into consideration by assuming that they are generated by single-turn fictitious coils wrapped around each magnetic flux path. The dynamic equations describing the simulation model can easily incorporate the operation of switching power amplifier. A simulation of a typical 8-pole radial magnetic bearing produces switching waveforms very similar to the experimental observation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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