周彤 ， 王國(guó)民

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，南京 210042；2.中國(guó)科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210042；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

南極地區(qū)在天文觀測(cè)領(lǐng)域的具有絕佳的優(yōu)勢(shì)，世界上許多國(guó)家先后在南極安裝了天文觀測(cè)設(shè)備，我國(guó)也于2008年在南極Dome A成功安裝了我國(guó)研制的首臺(tái)南極光學(xué)望遠(yuǎn)鏡CSTAR。但是南極天文望遠(yuǎn)鏡所處的環(huán)境決定了傳統(tǒng)軸承很難正常運(yùn)行及維護(hù)，而采用拼接永磁體結(jié)構(gòu)的支撐軸承由于可避免機(jī)械接觸摩擦，非常適合在南極復(fù)雜的環(huán)境及維護(hù)不便的條件下使用［1-3］。為了提高采用拼接永磁結(jié)構(gòu)的永磁軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，本文通過(guò)探討永磁支承的力學(xué)特性，借助有限元分析軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的永磁支承進(jìn)行分析計(jì)算，尋找大承載力的拼接式永磁支承的合理設(shè)計(jì)方案。

本文分別對(duì)無(wú)聚磁極結(jié)構(gòu)和有聚磁極結(jié)構(gòu)的永磁支承進(jìn)行仿真，對(duì)承載能力和穩(wěn)定性能進(jìn)行分析，即通過(guò)比較轉(zhuǎn)子永磁體所受懸浮力的大小和懸浮力的波動(dòng)性來(lái)優(yōu)化永磁懸浮磁路的結(jié)構(gòu)［4-7］。

1 無(wú)聚磁極磁懸浮結(jié)構(gòu)及力學(xué)計(jì)算

1.1 無(wú)聚磁極計(jì)算模型

拼接永磁支承采用上下兩部分結(jié)構(gòu)，下部分為定子永磁圈，采用32塊永磁體拼接而成，上部分為轉(zhuǎn)子永磁體。由于永磁體的拼接難免產(chǎn)生縫隙，現(xiàn)將模型簡(jiǎn)化，定子永磁體定子間拼接縫隙以角度δ表示，δ=0.2°，定子永磁體內(nèi)徑R1=202.5 mm，外徑R2=250 mm，扇形定子與扇形轉(zhuǎn)子永磁體的角度大小相等，α=11.05°，定子永磁體厚度為6 mm，轉(zhuǎn)子永磁體厚度為10 mm。如圖1所示，陰影部分表示轉(zhuǎn)子永磁體，建模時(shí)將定子永磁體的尺寸固定，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑、外徑來(lái)改變扇形轉(zhuǎn)子的大小，永磁材料的特性如表1所列。

圖1 扇形轉(zhuǎn)子-扇形定子示意圖

由于拼接永磁支承是圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了計(jì)算波動(dòng)率，可以選擇一個(gè)周期進(jìn)行懸浮力的仿真計(jì)算。建立由4個(gè)定子永磁體和1個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體組成的簡(jiǎn)化模型，如圖2所示，轉(zhuǎn)子永磁體逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)11.25°為一個(gè)周期。

表1 永磁材料特性

圖2 無(wú)聚磁極結(jié)構(gòu)永磁體建模

1.2 懸浮力及波動(dòng)率分析

轉(zhuǎn)子永磁體與定子永磁體間空氣隙的高度對(duì)懸浮力有較大影響［8-9］，調(diào)整該空氣隙的高度 t，分別取 t=1～5 mm，設(shè)定轉(zhuǎn)子永磁體底面積為1000 mm2，求得該轉(zhuǎn)子永磁體在不同空氣隙下的磁懸浮力的大小，繪制一個(gè)周期內(nèi)懸浮力的變化曲線，如圖3所示，并計(jì)算懸浮力波動(dòng)率，在表2中列出。

表2 懸浮力波動(dòng)率對(duì)比

圖3 無(wú)聚磁極結(jié)構(gòu)懸浮力隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化曲線

由圖3及表2可以看出，底面積為1000 mm2的扇形轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到的懸浮力有較大波動(dòng)，但懸浮力波動(dòng)隨著轉(zhuǎn)子與定子間空氣隙的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；懸浮力隨轉(zhuǎn)子懸浮空氣隙的增加略有提高，但總體維持在較低水平，永磁支承的承載性能無(wú)法保證。

2 有聚磁極磁懸浮結(jié)構(gòu)及力學(xué)計(jì)算

2.1 有聚磁極計(jì)算模型

如前面所述，單純采用拼接永磁支承結(jié)構(gòu)不能在降低波動(dòng)性的同時(shí)提高承載性能，需要對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。研究表明，聚磁極結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)化磁場(chǎng)有重要的作用［10-11］。在聚磁極結(jié)構(gòu)中，定子永磁圈采用的是徑向磁化的永磁體拼接而成，其剖面圖如圖4所示，定子永磁圈結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外兩圈永磁體以及聚磁材料組合而成，內(nèi)、外兩圈永磁體的磁化方向相反，故磁感線可在中部聚磁材料處得到匯集，形成較大的局部磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子永磁體獲得較大的懸浮力。下面將選用鑄鐵做聚磁材料，分析聚磁極對(duì)永磁懸浮磁路的影響。

圖4 帶聚磁極結(jié)構(gòu)的拼接永磁支承示意圖

建立如圖5所示的永磁體和聚磁極的簡(jiǎn)化模型，轉(zhuǎn)子永磁體逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)11.25°為一個(gè)周期。

圖5 有聚磁極結(jié)構(gòu)永磁體建模

2.2 聚磁極寬度對(duì)懸浮力的影響

聚磁極結(jié)構(gòu)主要用來(lái)匯集磁場(chǎng)，提高聚磁材料處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，聚磁材料的寬度對(duì)磁懸浮力的影響在懸浮空氣隙較小的范圍內(nèi)比較明顯，下面將通過(guò)仿真研究聚磁材料寬度對(duì)轉(zhuǎn)子永磁體懸浮力的影響。具體分析過(guò)程主要通過(guò)調(diào)整中部聚磁材料的寬度來(lái)進(jìn)行，選取轉(zhuǎn)子底面積為1000 mm2，轉(zhuǎn)子與定子間空氣隙高度t=2 mm，圖4中兩側(cè)聚磁材料寬度W1=2 mm，中間聚磁材料寬度W2分別設(shè)定為1～10 mm，模擬轉(zhuǎn)子永磁體所受懸浮力的大小，并繪制懸浮力曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 懸浮力隨聚磁材料寬度的變化曲線

由圖6可知，對(duì)于底面積為1000 mm2的扇形轉(zhuǎn)子永磁體而言，隨著中間聚磁材料寬度的增加，轉(zhuǎn)子所受懸浮力逐漸減小，那么減小中間聚磁材料的寬度將可以提高永磁支承的承載力。

2.3 懸浮力及波動(dòng)率分析

與無(wú)聚磁極結(jié)構(gòu)的計(jì)算相同，有聚磁極結(jié)構(gòu)的懸浮力及波動(dòng)率分析需要考慮轉(zhuǎn)子與定子間空氣隙的高度的影響，設(shè)定轉(zhuǎn)子底面積為1000mm2，空氣隙的高度t=1～5mm。根據(jù)圖6的計(jì)算結(jié)果以及實(shí)際工程的可行性，選取中間聚磁極寬度W2=1 mm。

求得不同空氣隙下的磁懸浮力的大小，繪制如圖7所示的一個(gè)周期內(nèi)懸浮力的變化曲線，并計(jì)算懸浮力波動(dòng)率，在表3中列出。

圖7 有聚磁極結(jié)構(gòu)懸浮力隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化曲線

表3 有聚磁極結(jié)構(gòu)的永磁支承懸浮力波動(dòng)率的對(duì)比

由圖7及表3可以看出，引入聚磁極結(jié)構(gòu)后，在相同的轉(zhuǎn)子底面積（1000 mm2）和相同的空氣間隙（1～5 mm）的情況下，懸浮力的大小和穩(wěn)定性都得到了很大提高。表4列出了平均懸浮力和平均波動(dòng)率。

從表4可以看出，引入聚磁極結(jié)構(gòu)提高了永磁支承的承載性能，平均懸浮力由30.31N提高到90.17N，同時(shí)降低了懸浮力的波動(dòng)性，平均波動(dòng)率由3.22%下降到0.39%，實(shí)現(xiàn)了承載力和穩(wěn)定性的同步提升。

表4 有無(wú)聚磁極結(jié)構(gòu)懸浮力及波動(dòng)率對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)特殊要求下的軸系支承進(jìn)行分析，建立拼接式永磁支承模型，分別對(duì)無(wú)聚磁極結(jié)構(gòu)和有聚磁極結(jié)構(gòu)的永磁支承進(jìn)行了初步研究，通過(guò)仿真分析分別探討了轉(zhuǎn)子永磁體懸浮空隙的大小對(duì)于懸浮力的影響，聚磁材料寬度對(duì)于懸浮力的影響，比較了永磁支承的承載能力和穩(wěn)定性。結(jié)果表明：采用聚磁極結(jié)構(gòu)后，轉(zhuǎn)子永磁體平均懸浮力由30.31 N提高到90.17 N，承載能力顯著提升；平均波動(dòng)率由3.22%降為0.39%，穩(wěn)定性大幅提高。由于懸浮力及穩(wěn)定性的增加，采用聚磁極結(jié)構(gòu)可以縮小永磁軸承的尺寸，減輕永磁軸承的重量，實(shí)現(xiàn)永磁軸承結(jié)構(gòu)的輕量化。

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