八磁極永磁偏置徑向磁軸承磁懸浮機理研究
趙旭升
(南京化工職業技術學院，江蘇南京210048)
摘要：研究了一種永磁偏置徑向磁軸承，該磁軸承結構簡單、控制方便，偏置永磁體采用嵌入式，裝在控制線圈之間，磁路完全在軸承內部閉合，漏磁較小。研究了其結構，分析了懸浮力產生機理，進行了有限元仿真分析。研究結果表明，該磁軸承控制方便，動靜態性能良好，在飛輪儲能、超高速電機等領域具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：永磁偏置磁軸承；磁路；懸浮力；有限元
中圖分類號：TM355 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)06—0007一03
0引 言
按照懸浮磁場的不同，磁軸承一般分為主動磁軸承、被動磁軸承和混合磁軸承三類。混合磁軸承也稱永磁偏置磁軸承，用****磁鐵產生的磁場取代主動磁懸浮軸承中電磁鐵產生的靜態偏置磁場，具有降低功率放大器的功耗，減少電磁鐵的匝數，縮小磁軸承的體積，提高軸承承載力等優點，在高速、真空、超潔凈、核等特殊的應用場合具有廣闊的應用前景[1-2]。
磁軸承經濟效益主要決定于機械部件制造成本、控制與功放器件成本及運行成本。前一項直接與磁軸承機械結構相關，而后兩項則直接與功率損耗有關。傳統直流型徑向磁軸承機械結構簡單，但功率損耗大；傳統永磁偏置型徑向磁軸承雖然功耗較低，但結構又較復雜[3]。本文在文獻[4]的基礎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生偏置磁通以提供靜態懸浮力，控制線圈僅僅提供控制磁通以克服瞬時負載及擾動，并將永磁體放置于控制線圈之間，磁路完全在軸承內部閉合，漏磁較小，該磁軸承可應用于小尺寸和大氣隙磁軸承的場合。在簡述其結構及工作原理的基礎上，對該磁軸承進行了有限元仿真。結果表明，軸承控制方便，并具有良好的動靜態性能。
1磁軸承結構及其工作原理
1．1磁軸承結構
該永磁偏置徑向磁軸承結構及磁路原理圖如圖1所示。它由徑向定子、徑向控制線圈、轉子鐵心、
轉子及片狀永磁體構成，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個凸出磁極，4個帶線圈的為控制磁極，繞組固定在4個控制磁極上通電產生控制磁通。4個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生偏置磁通，當轉子徑向穩定懸浮時，轉子在永磁體產生的靜態偏置磁場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，懸浮轉子鐵心也采用硅鋼片疊壓制成為簡單圓柱體套裝在轉子上。由于該型磁軸承磁通完全在同平面內閉合，所以具有磁通路徑短和漏磁較小的優點，同時，該磁軸承利用永磁體產生偏置磁通，還具有功耗小、軸向長度短的優點，在飛輪儲能、空調壓縮機、渦輪分子泵等高速應用場合具有廣泛的應用前景[4]。
1．2磁懸浮機理
從圖l可看出，每塊永磁體產生的偏置磁通分兩路出發分別流經永磁磁極、永磁磁極下氣隙、轉子、控制磁極下氣隙、控制磁極及定子磁軛，再回到永磁體，如圖中帶箭頭實線所示。每個控制磁極上繞有一個集中式繞組產生控制磁通，控制磁通只流經定子磁軛、控制磁極、控制磁極下氣隙與轉子，再經外定子鐵心閉合，如圖1中虛線所示。由于永磁體的磁阻較大，控制磁通不經過永磁磁極，可避免控制磁通與偏置磁通方向相反時對永磁體的去磁。
假設不考慮轉子白重，當轉子處于平衡位置，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生相等的偏置磁通，這樣使轉子受到徑向磁阻力合力為零，穩定在平衡位置，仿真結果如圖2所示。由于結構的對稱性，****磁體產生的磁通在轉子的上下氣隙處是相等的，此時上下吸力相等。如果在此平衡位置時轉子受到一個向下的外擾力，轉子就會偏離參考位置向下運動，造成****磁鐵產生的上下氣隙的磁通變化，即上面的氣隙增大，永磁體產生的磁通減少，下面的氣隙減少，永磁體產生的磁通增加。
由于磁場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，轉子將無法回到平衡位置。此時位移傳感器檢測出轉子偏離其參考位置的位移量，控制器將這一位移信號轉變成控制信號，功率放大器又將此控制信號變換成控制電流，這個電流流經電磁鐵線圈繞組使鐵心內產生一控制電磁磁通，控制磁通在y正方向氣隙處與偏置磁通相疊加；而在l，負方向與偏置磁通相抵消。仿真結果如圖3所示，圖中可見，一邊氣隙中的磁通大于另一邊氣隙的磁通。兩邊徑向氣隙磁通的差異對轉子產生了可控的回復力，使轉子穩定在徑
如果轉子受到一個向上的外擾力，可以用類似的方法進行分析，得到相反的結論。同理，不論轉子受到向左、向右、向上或向下的外擾動，帶位置負反饋的永磁偏置徑向磁軸承通過控制器控制勵磁繞組中的電流，調節各氣隙磁通的大小，始終能保持轉子在平衡位置。
2永磁體的嵌放
為在疊片式定子中嵌入永磁體，并保證定子疊片可靠聯接，在定子永磁磁極中設計了4個插槽來安裝永磁體。插槽式結構可使永磁體易于安裝，并保護了永磁體免受外部的機械損傷，在磁力自作用下，永磁體也不會輕易從定子鐵心中滑出。插槽式結構的永磁磁極與定子成一整體，保證了定子的機械強度，簡化了定子的組裝。這樣的結構也允許在轉子安裝好之后再插入永磁體，因此轉子安裝與拆卸時無需克服永磁體的磁力阻礙。但是插槽式結構在永磁磁極中形成了兩個較薄側壁，永磁體兩極間會通過側壁流過磁通而形成漏磁，為使這部分漏磁最小化，插槽兩側壁厚度要盡量小，使其處于磁通飽和狀態，從而減小漏磁。圖4的仿真結果驗證了插槽側壁磁飽和程度，插槽側壁漏磁引起的負載能力損失比起插槽式結構諸多優點，工程上還是可以接受的。
3傳感器安裝
4個永磁磁極上不帶線圈繞組，可以充分利用其來安裝位移傳感器，在此位移傳感器采用電渦流傳感器，如圖5所示。采用差動方式進行測量位移。
從圖中可看出，位移傳感器占用軸向空間的位置可大為減小，進一步減小了磁軸承軸向尺寸，并使得轉位置測量點與磁力作用點之間距離最小，減小了測量位置誤差。這種裝配方式得益于該磁軸承的獨特結構，從圖3和圖4的仿真結果可看出，由于控制磁通并不流經永磁磁極，所以可認為該磁極下的磁場保持常數，控制磁通對傳感器的影響是較小的。
4有限元分析
在該型磁軸承中，由于永磁體的磁阻較大，可認為該磁軸承的控制磁通不經過永磁體，當轉子在平衡位置附近，水平方向、垂直方向的控制磁通是相互解耦的[5]，從磁路仿真圖也可看出偏置磁通是彼此獨立的，在此基礎上可利用等效磁路法構建磁路方程進行分析，求解磁懸浮力方程。但由于該型混合磁軸承的結構及磁極排列與傳統的主動磁軸承相類似，只是用永磁體來產生偏置磁通，在此可借用主動磁軸承的磁懸浮力方程對其進行表述，將磁懸浮力方程在平衡位置處進行泰勒展開，并且忽略二階導數以上的高次項后可得[6]：
式中：K yy為位移剛度系數；k yi為電流剛度系數，k yi=  為空氣磁導率，A為主磁極面積，N I為磁勢，g o為氣隙長度。 在此偏置磁勢由永磁體產生，NI則用永磁磁勢Fc代替，電流剮度系數可表示為：
從上述公式可看出，對一設計好的磁軸承而言，電流剛度系數是一常數，磁懸浮力和控制電流之間是一種線性關系，表明該磁軸承具有良好的控制性能。同理，位移剛度系數也可以借用主動磁軸承的表示法進行表示，但還需要考慮永磁磁極所產生的位移負剛度，這也是該型磁軸承的缺點所在，但在此是為了研究該型軸承的動態控制性能，對此不再贅述。
對上述的理論分析結果利用Ansoft磁場分析軟件對磁軸承進行進一步仿真分析，由于線圈產生的控制磁通和由永磁體產生的偏置磁通位于同一平面中，漏磁較小，所以對其進行二維仿真。在此，go=O.5 mm，N=60匝，仿真結果如圖3、圖6及圖7所示。圖6是磁軸承懸浮力與控制電流的關系曲線，近似于一種線性關系，仿真結果很好地驗證了上述理論分析結果。
圖7是磁懸浮力與氣隙大小的關系曲線，從圖中可明顯看出，隨著氣隙的增大，磁懸浮力急劇減小。仿真結果也符合前述的分析結果。
5結語
本文研究了一種八磁極的異極性永磁偏置徑向磁軸承，磁通完全經由磁軸承內部閉合，漏磁較小，減小了磁軸承的功耗。同時，采用嵌入式的永磁體布置，結構更為簡單，安裝方便。在分析其工作原理的基礎上，對其進行了有限元仿真，結果表明，該軸承控制精確簡便，并具有良好的動靜態性能，在飛輪儲能、高速電機、渦輪分子泵等特殊的應用場合具有廣闊的應用前景。
|
