王德明，葛貝貝，張廣明，梅 磊

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

0 引 言

現(xiàn)代工業(yè)對(duì)軸承的性能要求越來(lái)越苛刻，尤其在一些軍工、航空航天等特殊領(lǐng)域內(nèi)，高轉(zhuǎn)速、高精度、可控可靠的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的實(shí)現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

磁懸浮軸承是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子之間的無(wú)機(jī)械摩擦。與傳統(tǒng)的機(jī)械軸承相比，磁懸浮軸承具有無(wú)法比擬的優(yōu)越性能:噪聲小、能耗低、沒(méi)有機(jī)械磨損、無(wú)需添加潤(rùn)滑劑、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)子可以運(yùn)行到很高的轉(zhuǎn)速［1-3］。磁懸浮軸承的良好應(yīng)用性能及未來(lái)的發(fā)展?jié)摿φ艿饺藗兊钠毡殛P(guān)注，其已在美國(guó)、法國(guó)、日本、瑞士等國(guó)取得了工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［4］。

磁懸浮軸承的分類方式繁多，其中根據(jù)懸浮力的產(chǎn)生機(jī)理不同，可以分為主動(dòng)型、被動(dòng)型和混合型磁懸浮軸承?；旌闲痛艖腋≥S承利用永磁材料建立偏置磁場(chǎng)，因此又被稱為永磁偏置磁懸浮軸承。永磁偏置磁懸浮軸承除了具有一般磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)外，還較大程度地降低了軸承的功率損耗，減少了支持單位承載力所需的體積和重量。

近年來(lái)，隨著稀土永磁材料的廣泛應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)外的研究人員研究出了多種結(jié)構(gòu)的永磁偏置磁懸浮軸承［5］。本文在前人工作的基礎(chǔ)上對(duì)永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承(以下簡(jiǎn)稱PARMB)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上闡述了經(jīng)典結(jié)構(gòu)PARMB的工作原理，最后還介紹了PARMB在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，并對(duì)它的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 PARMB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子5個(gè)自由度的控制，傳統(tǒng)的磁懸浮軸承系統(tǒng)通常由一個(gè)控制軸向推力的軸向磁軸承和兩個(gè)控制徑向力的徑向磁軸承構(gòu)成，這三個(gè)磁軸承在軸向方向依次排列增大了軸向長(zhǎng)度，使電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速難以提高［6］。因此，在一個(gè)超高速系統(tǒng)中如何減小系統(tǒng)尺寸，提高轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)性能成為國(guó)內(nèi)外磁軸承研究者的工作重點(diǎn)。1990年第二屆磁軸承會(huì)議中Sortore C等人研究了一種永磁偏置軸向徑向磁軸承［7］，該種磁軸承的設(shè)計(jì)理念即將軸向、徑向磁軸承結(jié)合為一體，大大縮短軸向長(zhǎng)度，減少軸承體積。在這一設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)始致力于研究各種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功耗低的永磁偏置軸向徑向磁軸承。

1.1 多種PARMB結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)偏置磁場(chǎng)極性分布的不同，永磁偏置磁懸浮軸承又可以分為同極性結(jié)構(gòu)和異極性結(jié)構(gòu)，同極性結(jié)構(gòu)中偏置磁場(chǎng)在徑向磁極上產(chǎn)生的磁極性相同，在軸向磁極上產(chǎn)生的磁極性相反［8］。由于和異極性磁軸承相比，同極性結(jié)構(gòu)的磁軸承磁滯損耗小，更適合應(yīng)用在高速場(chǎng)合，因此目前的PARMB主要以同極性為主，下文所述也均為同極性結(jié)構(gòu)。

圖1為上文提到的PARMB，從圖中可以看出一個(gè)軸向充磁的永磁體嵌套在軸向定子與徑向定子之間，使軸向定子與徑向定子有效隔斷，消除了兩者之間的耦合。環(huán)形線圈產(chǎn)生的控制磁通與永磁體產(chǎn)生的偏置磁通在氣隙中進(jìn)行疊加，來(lái)實(shí)現(xiàn)軸承的穩(wěn)定懸浮。然而這種磁軸承的缺點(diǎn)是軸向長(zhǎng)度長(zhǎng)，無(wú)法提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

圖1 軸向充磁PARMB的結(jié)構(gòu)與磁路圖

圖2為經(jīng)典結(jié)構(gòu)PARMB，從磁路圖中可以看出，偏置磁通由一個(gè)徑向充磁的環(huán)形永磁體提供，偏置磁通的路徑與控制磁通的路徑基本不重合，減少了控制磁通對(duì)永磁體的去磁。并且由于永磁體的存在，控制磁通的產(chǎn)生只需要一個(gè)很小的線圈，這樣就使得整個(gè)軸承的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

圖2 經(jīng)典PARMB的結(jié)構(gòu)與磁路圖

在該型磁軸承中，定子磁極采用的是四齒兩對(duì)極結(jié)構(gòu)，在文獻(xiàn)［9］～［11］研究的交直流永磁偏置磁軸承中，采用帶三個(gè)磁極的徑向定子，軸向控制磁通與徑向控制磁通相互獨(dú)立，不存在磁路耦合，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置時(shí)懸浮力與控制電流呈良好的線性關(guān)系。而在文獻(xiàn)［12］～［13］中，該經(jīng)典結(jié)構(gòu)PARMB的軸向定子被改為雙片式八極(2片4極)軸向、徑向雙磁極面進(jìn)行研究，其研究表明雙磁極面的設(shè)計(jì)方法增大了磁極的可利用面積，使可承受的負(fù)載和外擾力得到提高，并且散熱情況還得以改善。

在如圖3所示的PARMB中，以軸向定子套于徑向定子外圈的方式減少軸承軸向空間的占據(jù)。偏置磁場(chǎng)通過(guò)貼裝在徑向定子外部的環(huán)形永磁體來(lái)提供。徑向平面的控制磁通通過(guò)改變軸向方向的偏置磁通來(lái)得到徑向力，同時(shí)控制磁通被引入到軸向平面以產(chǎn)生軸向力［14］。在該軸承中徑向定子采用了對(duì)稱結(jié)構(gòu)，提高了磁懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且由于軸向控制磁通與徑向控制磁通相互獨(dú)立，磁路之間不會(huì)產(chǎn)生耦合。

圖3 PARMB的結(jié)構(gòu)與磁路圖

圖4中的PARMB的轉(zhuǎn)子鐵心末端采用圓錐結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)促使徑向承載力中包含有大小相等、方向相反的軸向力，控制磁通流經(jīng)各自的空氣隙與偏置磁通沒(méi)有交集，降低了磁阻損耗。但由于軸向長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)其很難在超高速場(chǎng)合得到應(yīng)用［15］。

圖4 錐形PARMB的結(jié)構(gòu)與磁路圖

1.2 經(jīng)典PARMB工作原理

經(jīng)典結(jié)構(gòu)PARMB在三個(gè)自由度上的工作原理相同，這里以軸向方向?yàn)槔齺?lái)說(shuō)明其工作原理，如圖5所示。在沒(méi)有外擾力的情況下，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，轉(zhuǎn)子在永磁體的作用下穩(wěn)定懸浮于平衡位置。當(dāng)一個(gè)水平向左的外擾力出現(xiàn)并趨勢(shì)轉(zhuǎn)子向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子左邊的氣隙隨之減少，磁通ΦPMZ2增加;轉(zhuǎn)子右邊的氣隙隨之增大，磁通ΦPMZ1減少。同時(shí)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的信號(hào)被位移傳感器檢測(cè)到，并通過(guò)控制器將這一位移信號(hào)轉(zhuǎn)變成控制信號(hào)，之后功率放大器又將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制電流，經(jīng)軸向控制繞組產(chǎn)生軸向控制磁通ΦZEM。軸向控制磁通與偏置磁通進(jìn)行疊加，使氣隙Z1處的總磁通增加，氣隙Z2處的總磁通減少，根據(jù)磁場(chǎng)的吸力與磁通的關(guān)系可知，轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向右的電磁吸力，轉(zhuǎn)子回到原來(lái)的平衡位置。如果此時(shí)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)水平向右的外擾力，同理可恢復(fù)到平衡位置。

圖5 經(jīng)典結(jié)構(gòu)PARMB的工作原理圖

2 PARMB的應(yīng)用

永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中具有很好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，并且由于損耗低、體積小、臨界轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，其已在多個(gè)國(guó)家的工業(yè)領(lǐng)域取得了應(yīng)用。

2.1 高速電動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)

經(jīng)典結(jié)構(gòu)PARMB由于結(jié)構(gòu)緊湊，磁滯損耗少，在高速電動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)中得到了很大的應(yīng)用。1993年Calnetix公司將其成功應(yīng)用于功率100 kW，轉(zhuǎn)速達(dá)60 000 r/min的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中［16］。2007年德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)研制出一60 000 r/min，500 W的無(wú)軸承高速電機(jī)，其使用了永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承［17］。2010年蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院電力電子實(shí)驗(yàn)室與Levitronix公司合作將上述磁軸承與一個(gè)主動(dòng)磁軸承集成到一個(gè)50萬(wàn)轉(zhuǎn)的超高速電機(jī)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)子由一個(gè)1 kW的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)［18-19］。

2.2 飛輪裝置

磁懸浮軸承可以實(shí)現(xiàn)飛輪運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的無(wú)接觸支撐，早在上世紀(jì)70年代，美國(guó)航空航天局Goddard空間飛行中心就研究出一三自由度的動(dòng)量飛輪，其通過(guò)采用永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向與徑向的穩(wěn)定懸?。?0］。2000年德州大學(xué)機(jī)電研究中心與其工業(yè)合作伙伴——Calnetix、聯(lián)信航空以及AVCON公司將一個(gè)高性能飛輪電池成功應(yīng)用于一個(gè)重達(dá)12 725 kg的混合動(dòng)力電動(dòng)公交客車上，該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速達(dá)40 000 r/min、功率為150 kW的永磁同步電機(jī)與永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)2 kW·h的復(fù)合材料飛輪的穩(wěn)定懸?。?］。2001年德州大學(xué)的奧斯汀機(jī)電研究中心在美國(guó)防御作戰(zhàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)劃的贊助下，研制出一用于5 MW飛輪電池的主動(dòng)磁懸浮軸承，該主動(dòng)磁懸浮軸承由一個(gè)永磁偏置徑向磁懸浮軸承和一個(gè)永磁偏置軸向徑向磁軸承構(gòu)成，其中飛輪轉(zhuǎn)子的重量為318 kg，轉(zhuǎn)速達(dá)到 20 000 r/min［21］。

3 結(jié) 語(yǔ)

永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承集軸向徑向磁懸浮軸承于一體，大大簡(jiǎn)化了5自由度磁軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善了高速運(yùn)行下轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性，從文中的應(yīng)用實(shí)例可以看出該類磁軸承在懸浮支承系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。因此，研究出尺寸更小、重量更輕、控制簡(jiǎn)單的永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承，并使其能夠在飛輪儲(chǔ)能電池等低功耗裝置中得以廣泛應(yīng)用是未來(lái)磁軸承發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。

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