八磁極永磁偏置徑向磁軸承磁懸浮機(jī)理研究
趙旭升
(南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210048)
摘要：研究了一種永磁偏置徑向磁軸承，該磁軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，偏置永磁體采用嵌入式，裝在控制線圈之間，磁路完全在軸承內(nèi)部閉合，漏磁較小。研究了其結(jié)構(gòu)，分析了懸浮力產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)行了有限元仿真分析。研究結(jié)果表明，該磁軸承控制方便，動(dòng)靜態(tài)性能良好，在飛輪儲(chǔ)能、超高速電機(jī)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：永磁偏置磁軸承；磁路；懸浮力；有限元
中圖分類號(hào)：TM355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2008)06—0007一03
0引 言
按照懸浮磁場(chǎng)的不同，磁軸承一般分為主動(dòng)磁軸承、被動(dòng)磁軸承和混合磁軸承三類�；旌洗泡S承也稱永磁偏置磁軸承，用****磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)取代主動(dòng)磁懸浮軸承中電磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，具有降低功率放大器的功耗，減少電磁鐵的匝數(shù)，縮小磁軸承的體積，提高軸承承載力等優(yōu)點(diǎn)，在高速、真空、超潔凈、核等特殊的應(yīng)用場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。
磁軸承經(jīng)濟(jì)效益主要決定于機(jī)械部件制造成本、控制與功放器件成本及運(yùn)行成本。前一項(xiàng)直接與磁軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)，而后兩項(xiàng)則直接與功率損耗有關(guān)。傳統(tǒng)直流型徑向磁軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但功率損耗大；傳統(tǒng)永磁偏置型徑向磁軸承雖然功耗較低，但結(jié)構(gòu)又較復(fù)雜[3]。本文在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上研究了一種新型永磁偏置徑向磁軸承，它采用嵌入式永磁體產(chǎn)生偏置磁通以提供靜態(tài)懸浮力，控制線圈僅僅提供控制磁通以克服瞬時(shí)負(fù)載及擾動(dòng)，并將永磁體放置于控制線圈之間，磁路完全在軸承內(nèi)部閉合，漏磁較小，該磁軸承可應(yīng)用于小尺寸和大氣隙磁軸承的場(chǎng)合。在簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)該磁軸承進(jìn)行了有限元仿真。結(jié)果表明，軸承控制方便，并具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。
1磁軸承結(jié)構(gòu)及其工作原理
1．1磁軸承結(jié)構(gòu)
該永磁偏置徑向磁軸承結(jié)構(gòu)及磁路原理圖如圖1所示。它由徑向定子、徑向控制線圈、轉(zhuǎn)子鐵心、
轉(zhuǎn)子及片狀永磁體構(gòu)成，為減小磁滯和渦流損耗，定子鐵心采用硅鋼片疊壓而成，定子上有8個(gè)凸出磁極，4個(gè)帶線圈的為控制磁極，繞組固定在4個(gè)控制磁極上通電產(chǎn)生控制磁通。4個(gè)嵌放永磁體的為永磁磁極，置于控制磁極之間，塊狀矩形永磁體采用稀土材料釹鐵硼制成，鑲嵌在定子永磁磁極中以產(chǎn)生偏置磁通，當(dāng)轉(zhuǎn)子徑向穩(wěn)定懸浮時(shí)，轉(zhuǎn)子在永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)吸力下處于懸浮中間位置。由于該磁軸承磁極為異極性排列，為減小磁滯和渦流損耗，懸浮轉(zhuǎn)子鐵心也采用硅鋼片疊壓制成為簡(jiǎn)單圓柱體套裝在轉(zhuǎn)子上。由于該型磁軸承磁通完全在同平面內(nèi)閉合，所以具有磁通路徑短和漏磁較小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，該磁軸承利用永磁體產(chǎn)生偏置磁通，還具有功耗小、軸向長(zhǎng)度短的優(yōu)點(diǎn)，在飛輪儲(chǔ)能、空調(diào)壓縮機(jī)、渦輪分子泵等高速應(yīng)用場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。
1．2磁懸浮機(jī)理
從圖l可看出，每塊永磁體產(chǎn)生的偏置磁通分兩路出發(fā)分別流經(jīng)永磁磁極、永磁磁極下氣隙、轉(zhuǎn)子、控制磁極下氣隙、控制磁極及定子磁軛，再回到永磁體，如圖中帶箭頭實(shí)線所示。每個(gè)控制磁極上繞有一個(gè)集中式繞組產(chǎn)生控制磁通，控制磁通只流經(jīng)定子磁軛、控制磁極、控制磁極下氣隙與轉(zhuǎn)子，再經(jīng)外定子鐵心閉合，如圖1中虛線所示。由于永磁體的磁阻較大，控制磁通不經(jīng)過(guò)永磁磁極，可避免控制磁通與偏置磁通方向相反時(shí)對(duì)永磁體的去磁。
假設(shè)不考慮轉(zhuǎn)子白重，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置，并且控制線圈在沒有通電的情況下，片狀永磁體在徑向氣隙產(chǎn)生相等的偏置磁通，這樣使轉(zhuǎn)子受到徑向磁阻力合力為零，穩(wěn)定在平衡位置，仿真結(jié)果如圖2所示。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，****磁體產(chǎn)生的磁通在轉(zhuǎn)子的上下氣隙處是相等的，此時(shí)上下吸力相等。如果在此平衡位置時(shí)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向下的外擾力，轉(zhuǎn)子就會(huì)偏離參考位置向下運(yùn)動(dòng)，造成****磁鐵產(chǎn)生的上下氣隙的磁通變化，即上面的氣隙增大，永磁體產(chǎn)生的磁通減少，下面的氣隙減少，永磁體產(chǎn)生的磁通增加。
由于磁場(chǎng)力與磁通的平方成正比，因此下面的吸力小于上面的吸力，在加入控制磁通前，轉(zhuǎn)子將無(wú)法回到平衡位置。此時(shí)位移傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離其參考位置的位移量，控制器將這一位移信號(hào)轉(zhuǎn)變成控制信號(hào)，功率放大器又將此控制信 |
