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        新型永磁偏置軸向磁軸承的原理分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

        2012-11-22 07:51:06蔣汝根趙旭升
        微特電機(jī) 2012年9期

        蔣汝根,趙旭升

        (南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京210048)

        0 引 言

        永磁偏置磁軸承利用永磁體產(chǎn)生偏置磁通,磁軸承的勵(lì)磁功耗得以降低,重量體積均有所減少,系統(tǒng)可靠性得以提高,使其在儲(chǔ)能飛輪、動(dòng)量飛輪等高速場(chǎng)合具有廣闊的應(yīng)用前景[1-7]。永磁偏置軸向磁軸承雖然只控制轉(zhuǎn)子鐵心一個(gè)自由度懸浮,但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便,能較為靈活的與其它型磁軸承構(gòu)成五自由度磁懸浮系統(tǒng)[8-9]。

        本文提出了一種軸向磁路與徑向完全解耦的新型結(jié)構(gòu)永磁偏置軸向磁軸承,懸浮性能優(yōu)良,控制方便。

        1 軸向磁軸承的結(jié)構(gòu)及原理分析

        1.1 軸向磁軸承的結(jié)構(gòu)分析

        新型永磁偏置軸向磁軸承結(jié)構(gòu)如圖1 所示,其由導(dǎo)磁體、軸向充磁的環(huán)形永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心、隔磁體、軸向控制繞組、軸向定子等構(gòu)成。其中,軸向充磁的環(huán)形永磁體置于隔磁體和導(dǎo)磁體之間,其外端與隔磁體的內(nèi)側(cè)相連。隔磁體由非導(dǎo)磁材料制成,導(dǎo)磁體由實(shí)心軟磁材料制成,由實(shí)心軟磁材料制成的軸向定子上繞有控制繞組,同樣由實(shí)心軟磁材料制成的薄片狀圓盤(pán)轉(zhuǎn)子鐵心套裝在轉(zhuǎn)軸上。

        圖1 磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖及磁路圖

        1.2 軸向磁軸承的原理分析

        圖1 中同時(shí)標(biāo)明了新型永磁偏置軸向磁軸承的磁路圖。經(jīng)轉(zhuǎn)子鐵心、軸向定子、導(dǎo)磁體、軸向氣隙閉合的是偏置磁通(圖1 中的實(shí)線)。軸向控制磁通則經(jīng)轉(zhuǎn)子鐵心、軸向定子、軸向氣隙閉合(圖1 中的虛線)。從圖1 可見(jiàn),偏置磁通、控制磁通與徑向完全解耦,轉(zhuǎn)子鐵心主要作為偏置磁路,可制成薄片狀圓盤(pán),有利于縮短磁軸承的軸向長(zhǎng)度,轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速得以提高,也有利于縮短控制磁路,勵(lì)磁損耗得以降低。

        該型磁軸承的磁懸浮機(jī)理如下:如果轉(zhuǎn)子鐵心受到一軸向向右的外擾力,轉(zhuǎn)子偏離平衡位置向右運(yùn)動(dòng),左右氣隙處的偏置磁通大小發(fā)生變化,右面氣隙減小,磁通增大,左面氣隙增大,磁通減小,則需控制繞組在軸向氣隙中產(chǎn)生控制磁通,該磁通與氣隙中的偏置磁通相互疊加,使左面氣隙中的磁通增加,右面氣隙中的磁通減小,產(chǎn)生一個(gè)向左的吸力,將轉(zhuǎn)子拉回平衡位置。反之也然。

        2 軸向磁軸承的磁懸浮力方程

        2.1 等效磁路分析

        該型磁軸承利用位于轉(zhuǎn)子鐵心兩側(cè)的兩個(gè)環(huán)形永磁體提供軸向氣隙偏置磁通,其偏置磁通漏磁主要是永磁體自身的端面漏磁,在此基礎(chǔ)上可得到該型軸向磁軸承的等效磁路圖,如圖2 所示。為了簡(jiǎn)化磁路,考慮工作氣隙的磁阻,忽略鐵心磁阻、轉(zhuǎn)子磁阻及渦流損耗等(設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)償)。

        圖2 軸向磁軸承等效電路圖

        圖2 中,F(xiàn)b為永磁磁動(dòng)勢(shì),Rk為漏磁阻,φk為漏磁通,φzb為軸向偏置磁通,Rz為軸向氣隙磁阻,Nziz為控制磁動(dòng)勢(shì),φzc為軸向控制磁通。

        現(xiàn)假設(shè)懸浮轉(zhuǎn)子軸向向右偏移一微小位移z,則有:

        式中,gz為氣隙長(zhǎng)度;Sz為定子磁極面積;Sp為永磁材料的中性面面積。

        參考上述等效磁路圖,利用磁路基爾霍夫定律求出軸向氣隙下的偏置磁通,取εb為氣隙偏置磁通漏磁系數(shù):

        同理,可求出控制磁通,取εc為氣隙控制磁通漏磁系數(shù):

        2.2 磁懸浮力方程

        根據(jù)圖1,如果轉(zhuǎn)子軸向向右偏移z,從工作原理可知,需在轉(zhuǎn)子鐵心上產(chǎn)生軸向向左的承載力Fz,其才能回到平衡位置,根據(jù)力和磁通的關(guān)系,有:

        將式(2)~式(3)代入到式(4)中,對(duì)Fz進(jìn)行線性化處理,忽略二階以上無(wú)窮小量得:

        式中:kdz為軸向力/位移系數(shù),kiz為軸向力/電流系數(shù),

        3 軸向磁軸承的參數(shù)設(shè)計(jì)

        3.1 氣隙磁通密度

        考慮氣隙處漏磁,為避免軟磁材料飽和,在此將氣隙磁通密度設(shè)定為1.2 T。氣隙合成磁通中包含有偏置磁通和控制磁通,考慮到過(guò)薄的永磁體精加工難度較大,為保證永磁材料在充磁方向具有一定的厚度,設(shè)定氣隙偏置磁密Bxyb為0.8 T;為能減少控制繞組的匝數(shù),降低磁軸承的勵(lì)磁損耗,則將氣隙控制磁密Bxyb設(shè)定為0.4 T。

        3.2 軸向定子磁極面積

        由式(4)進(jìn)一步求出軸向懸浮力公式:

        根據(jù)所需軸向懸浮力的大小,求出軸向定子磁極面積。

        3.3 軸向控制繞組

        將式(6)求得的結(jié)果結(jié)合設(shè)定的氣隙控制磁密,并利用式(3),可得:

        確定軸向氣隙長(zhǎng)度gz(0.1~1.5 mm),根據(jù)上述公式求出NzIz,進(jìn)一步求出軸向控制繞組截面積Sw:

        式中:dm為導(dǎo)線直徑(包括漆皮厚度)。

        3.4 定轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)

        為避免偏置磁通的徑向漏磁,永磁體及導(dǎo)磁體內(nèi)徑Rj應(yīng)保證:

        式中:Ri為轉(zhuǎn)軸半徑。

        軸向定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子鐵心圓盤(pán)的軸向長(zhǎng)度RL:

        導(dǎo)磁體軸向長(zhǎng)度Ls:

        為避免偏置磁通漏磁,隔磁體的徑向長(zhǎng)度Lk取:

        3.5 偏置磁路德參數(shù)設(shè)計(jì)

        參考圖2,得永磁偏置磁通φb:

        3.6 永磁體參數(shù)的設(shè)計(jì)

        選用燒結(jié)釹鐵硼作為磁軸承的永磁材料,需求解的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括外徑Rmgo,軸向充磁厚度Tmg,由圖2 得:

        由上述公式求出Hp(永磁工作點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度),代入到永磁材料的磁化曲線公式中求出Bp(永磁工作點(diǎn)磁密),結(jié)合式(13)的結(jié)果,求取永磁材料的中性面面積Smg:

        則根據(jù)幾何關(guān)系可求得Rmgo:

        根據(jù)幾何關(guān)系,導(dǎo)磁體外徑Rd:

        4 設(shè)計(jì)結(jié)果及電磁場(chǎng)仿真分析

        4.1 已知參數(shù)與設(shè)計(jì)結(jié)果

        表1 為承載力的設(shè)計(jì)要求、轉(zhuǎn)軸尺寸及其他設(shè)計(jì)參數(shù)。

        表1 已知參數(shù)

        利用式(6)~式(17),求出如表2 所示的設(shè)計(jì)結(jié)果。

        表2 設(shè)計(jì)結(jié)果

        4.2 電磁場(chǎng)仿真分析

        為了驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)永磁偏置軸向磁軸承理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性,利用有限元分析軟件ANSOFT 12.1 建立二維軸對(duì)稱磁場(chǎng)對(duì)磁軸承的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真分析,分別分析了偏置磁通、控制磁通及合成磁通的磁力線、磁密分布及負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)子的受力情況。

        在控制繞組中加以2 A 的激勵(lì)電流,得到如圖3(a)所示的控制磁通磁力線圖及磁密圖,磁通密度接近于0.4 T,氣隙控制磁通漏磁系數(shù)為1.06。

        偏置磁通仿真圖則如圖3(b)所示,氣隙偏置磁密接近0.8 T,偏置磁路的總漏磁系數(shù)為1.284(包含氣隙漏磁)。

        圖3 磁軸承電磁場(chǎng)仿真分析圖

        圖3(c)模擬了最大承載力下的電磁場(chǎng)驗(yàn)證,在軸向控制繞組中加以激勵(lì)電流2 A,偏置磁通和控制磁通共同作用,產(chǎn)生的氣隙合成磁密一側(cè)約為0. 41 T,另一側(cè)側(cè)約為1.19 T,轉(zhuǎn)子鐵心上的軸向合力約為700.6 N。該值與設(shè)計(jì)值略有差距,這是由于兩側(cè)永磁體氣隙磁密的變化,產(chǎn)生了相應(yīng)的被動(dòng)磁拉力所導(dǎo)致的,這也與理論分析相一致。

        利用磁路分析和電磁場(chǎng)分析對(duì)磁軸承的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,得到如圖4 所示的性能曲線。其中圖4(a)為軸向力/電流關(guān)系曲線,圖4(b)為軸向力/位移關(guān)系曲線。由圖4 可見(jiàn),在偏置位移及電流較小時(shí)磁路分析與電磁場(chǎng)分析的結(jié)果較為接近,這是因?yàn)樵诖怕贩治鲋?,考慮了氣隙處的漏磁,并且在參數(shù)設(shè)計(jì)中考慮了軟磁材料的磁阻所致。

        圖4 磁軸承計(jì)算結(jié)果

        5 結(jié) 論

        (1)提出的新型永磁偏置軸向磁軸承結(jié)構(gòu)緊湊,功耗低。磁通完全在軸向流通,與徑向懸浮彼此解耦,控制方便。

        (2)設(shè)定氣隙偏置磁通和控制磁通的大小,以軟磁材料不飽和為約束條件,考慮永磁材料實(shí)際加工誤差等一系列措施,對(duì)磁軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法合理正確。

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