（机械电子工程专业论文）永磁偏置轴向电磁轴承结构设计与力学性能分析.pdf

摘要 论文题目：永磁偏置轴向电磁轴承结构设计与力学性能分析 学科专业：机械电子工程 研究生：张超 指导教师：杨静副教授 摘要 签名：盏壑签名：锨翌 签名：丝盛 永磁偏置电磁轴承不仅具有普通电磁轴承具有的运转速度高、噪声小、功耗低、寿 命长、隔振等优点，同时，由于采用永磁体提供电磁轴承的偏置磁场，相比较而言，永磁 偏置电磁轴承还具有结构简单、体积小、发热量小及可靠性高等优点。因此，关于永磁偏 置电磁轴承的研究工作具有一定的实用价值。 由于结构复杂、安装使用不便，普通永磁偏置轴向电磁轴承的推广使用受到限制， 本文采用了一种新型永磁偏置轴向电磁轴承结构，省略了转子轴上的止推圆盘，这种轴向 电磁轴承结构更紧凑，在使用中，轴承转子系统的设计、装配都比较简单，而且这种轴 向轴承结构便于标准化、模块化，有利于推广使用。 本文首先介绍了新型永磁偏置轴向电磁轴承的工作原理，及其结构特点，而后论文 利用等效磁路法建立了轴承电磁力数学模型，并总结了该新型永磁偏置轴向电磁轴承结构 设计计算方法；在此基础上，论文利用a n s y s11 0 有限元软件对轴承进行三维有限元仿 真分析，并与磁路计算的结果进行比较，表明磁路计算方法的可行性。论文最后提出了新 型永磁偏置轴向电磁轴承结构设计的基本参数：转子轴外径d 。、轴承转子径比3 和线圈 绕组截面宽径比允，详细分析了各参数对轴承性能的影响，为永磁偏置轴向电磁轴承结构 的标准化方法提供了一些可借鉴的思路。 关键字：永磁偏置；电磁轴承；等效磁路；有限元；标准化 西安理工大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t - - _ _ - - _ _ _ - _ _ 。_ - - _ _ _ - 。_ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ 。_ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - 一。- - 。_ _ 。- _ _ 。_ _ - _ 。_ - - 。_ _ - _ 。_ _ - - _ 。i _ 。_ 。- - 。- - 。一 t i t l e ：s t r u c t u r ed e s i g na n dm e c h a n l c a lc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i so np e r m a n e n tm a g n e tb i a s e da x l a l e l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g m a j o r ：m a c h i n e r ya n d e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：c h a oz h a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i n gy a n g s i g n a t u r e ：丝堑丝1 引g 舱仙似蚺 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tb i a s e de l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g sh a v et h ea d v a n t a g e st h a tt h e e l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n gh a v e ，s u c h a s h i g h - s p e e dr u n n i n g ，l o ws o u n d ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n 1 0 n gl i f ea n ds h o c ki s o l a t i o n b e s i d e st h a t ，i th a s t h em e r i t so fs i m p l es t r u c t u r e ， s m a l lv o l u m e ，l i t t l ec a l o r i c ，h i g hr e l i a b i l i t y ，a n ds oo n c o n s e q u e n t l y ，t h e r ea r cm u c hp r a c t i c a l i m p o r t a n c ea b o u tr e s e a r c h o np e r m a n e n tm a g n e tb i a s e de l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g s b e c a u s eo ft h ec o m p l e xs t r u c t u r e ，c o m m o np e r m a n e n tm a g n e tb i a s e de l e c t r o m a g n e t i s m b e a r i n g sh a v et h ep r o b l e mo fi n s t a l l a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e dan o v e lp e r m a n e n tm a g n e t b i a s e da x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g b e c a u s e i th a v e n t l a r g e r o t o rd i s k ，t h i sn o v e l e l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n gh a sc o m p a c ts t r u c t u r e t h a ti sb e n e f i c i a lt od e s i g na n da s s e m b l et h e n e we l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g a n dt h en e ws t r u c t u r e i si nf a v o ro fs t a n d a r d i z a t i o n ， m o d u l a r i z a t i o na n db r o a da p p l i c a t i o n s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t a a r ec h a r a c t e r i s t i co ft h e n e w p e r m a n e n tm a g n e tb i a s e da x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n gf i r s t b r , b a s e do nt h a t ，m a t hm o d e l s w e r ee s t a b l i s h e db yu s i n gt h em e t h o do fe q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i t ，a n dt h em e t h o do f s t r u c t u r ed e s i g nw a ss u m m a r i z e d t h e nt h ep a p e ra n a l y s e dm a g n e t i cf i e l do ft h en e wb e a r i n g b yu s i n gt h ea n s y s 11 0 t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t hr e s u l to ft h e o r yc a l c u l a t i o n ，t h ep a p e r p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h en e wp e r m a n e n tm a g n e tb i a s e da x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g a t l a s tt h i s p a p e rb r o u g h t f o r w a r dt h r e eb a s i cp a r a m e t e r s ，t h e y a r e b e a r i n g o u t e r d i a m e t e rd o ，b e a t i n gd i a m e t e rr a t i o 3a n dc o i l w i d t hl e n g t hr a t i oa a n db r o u g h tf o r w a r d s t a n d a r d i z a t i o ni d e aa n dm e t h o do ft h en e wp e r m a n e n tm a g n e tb i a s e da x i a le l e c t r o m a g n e t i s m b e a d n g k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tb i a s e d ；e l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g ；e q u i v a l e n t m a g n e t i c c i r c u i t ；f e m ；s t a n d a r d i z a t i o n 西安理工大学硕士学位论文 i i 目录 二一一 目录 i 刖菁1 1 1 课题背景1 1 2 永磁偏置电磁轴承的国内外现状2 1 3 论文工作的主要内容3 1 3 1 论文的提出3 1 3 2 论文的主要工作3 1 3 3 论文内容安排4 2 永磁偏置轴向电磁轴承结构与磁路分析5 2 1 永磁偏置轴向电磁轴承5 2 2 新型永磁偏置轴向电磁轴承结构6 2 3 新型永磁偏置轴向电磁轴承工作原理7 2 4 新型永磁偏置轴向电磁轴承磁路分析8 2 。4 1 支路磁通量计算8 2 4 2 新型永磁偏置轴向电磁轴承电流刚度和位移刚度1 0 2 5 本章小结1 1 3 新型永磁偏置轴向电磁轴承设计13 3 。1 新型电磁轴承主要技术指标1 3 3 2 轴承磁路参数设计1 4 3 2 1 工作气隙磁感应强度的确定1 5 3 2 2 磁极面积及气隙长度的选取1 6 3 2 3 轴承永磁体结构参数设计1 6 3 2 4 电磁轴承定子结构参数设计18 3 3 设计实例2 0 3 4 本章小结2 3 4 新型永磁偏置轴向电磁轴承有限元磁场分析2 5 4 1 磁场有限元方法2 5 4 。2 永磁偏置轴向电磁轴承有限元分析2 5 4 2 1a n s y s l l 0 有限元分析的一般步骤2 5 4 2 2 新型电磁轴承在平衡位置的磁场分析2 6 4 3 本章小结3 2 5 新型永磁偏置轴向电磁轴承标准设计参数3 3 5 1 新型电磁轴承基本参数选择一3 3 5 2 基本参数对轴承静特性的影响3 4 5 3 基本参数对轴承动特性的影响。3 6 5 4 基本参数对轴向轴承定子参数的影响3 8 5 5 本章小结4 1 西安理工大学硕士学位论文 6 全文总结与展望4 3 6 1 本文的主要工作和贡献4 3 6 2 研究工作展望4 3 致谢4 5 参考文献4 7 附录4 9 i i 第一章前言 1 前言 1 1 课题背景 众所周知给电磁轴承一转子系统中的径向或轴向气隙施加一定的静态偏置磁场，可以 改良其电磁力非线性的缺陷。从已有研究结果来看，提供电磁轴承偏置磁场有两种方式： 一种是利用轴承线圈的偏置电流提供偏置磁场，另一种则是利用永磁体提供磁动势产生偏 置磁场1 。 与传统轴向电磁轴承一转子系统( 如图1 1 ) 相比，永磁偏置轴向电磁轴承是利用永磁 体提供静态偏置磁场，电磁线圈提供控制磁场。图1 2 为一种新型永磁偏置轴向电磁轴承， 这种新的轴承结构利用永磁体产生静态偏置磁场，由于采用永磁体提供电磁轴承的偏置磁 场，相比较而言，永磁偏置电磁轴承除了具有普通电磁轴承的特点外，还具有结构简单、 体积小、可靠性高、发热量小等优点。由此构成的轴承转子系统结构也得到了进一步简 化。 囫 jl 囫圈脞 ， 1 1 r j j 。 i 、 r l 囫圈冒蠢 幽 图1 1 传统轴向电磁轴承结构示意图 f i g 1 1t r a d i t i o n a la n da x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n gs t r u c t u r e 往向电磁轴承 轴晕定子 网 ，。，囫酽 1 1 轴承蜡子 旷 、 凼 囫艮熙 图1 - 2 永磁偏置轴向电磁轴承结构示意图 f i g 1 2p e r m a n e n t m a g n e tb i a s e d a x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a t i n gs t r u c t u r e 永磁偏置轴向电磁轴承在轴承转子系统中用于控制转子轴向偏移，提供轴向刚度“1 。 传统永磁偏置轴向电磁轴承由于在结构设计上存在一定的弊端，如图1 - 1 结构上存在的大 西安理工大学硕士学位论父 一二r _ 一 型推力盘装置等，这些使得其在实际应用方面出现加工和装配等诸多问题，不利于产品本 身的推广和使用。本文采用一种新型永磁偏置轴向电磁轴承，其在结构上的优化设计解决 的传统轴向电磁轴承的结构缺点，使得轴承结构更加紧凑，生产装配更加便捷。同时，这 种轴承结构在设计上便于标准化、系列化，有利于在工业生产中推广使用。因此，对于新 型永磁偏置轴向电磁轴承的理论研究具有一定的实际应用价值。 1 2 永磁偏置电磁轴承的国内外现状 国外研究学者从2 0 世纪6 0 年代起开始对永磁偏置电磁轴承进行了研究，并取得了一定 的研究成果。在国际磁悬浮轴承会议与国际磁悬浮技术会议的历届学术报告中，都曾有许 多与永磁偏置电磁轴承相关的文章发表。1 9 8 9 年c k s o r t o r e 等研究人员对永磁偏置电磁轴 承的功率损耗进行了实验性研究，其研究结果表明永磁偏置电磁轴承与普通电磁轴承相比 较，前者可以较大改善支撑系统的功率损耗。y z h i l i c h e v 等研究人员将永磁偏置径向电磁 轴承的有限元磁场分析计算结果与理论模型的磁场数值计算结果进行了对比，为电磁轴承 磁场漏磁等问题的深入研究提供了可靠依据。c e h m a n n 等研究人员通过比较永磁偏置电 磁轴承与主动电磁轴承在刚度、电磁线圈电感问题上的不同，提出了一种新型永磁偏置电 磁轴承结构。1 9 9 0 年美国弗吉尼亚大学( u n i v e r s i t yo f v i r g i n i a ) 的研究学者提出了新颖的， 可同时控制轴承转子系统径向与轴向位移的永磁偏置电磁轴承结构。 进入2 1 世纪以来，国外在永磁偏置轴向电磁轴承的研究中又取得突破性研究成果。 2 0 0 9 年k i m i oh i j i k a t a 、m a s a t s u g ut a k e m o t o 及s a t o s h io g a s a w a r a 等人提出一种新型永磁偏 置轴向电磁轴承，并将该新型轴承结构应用于加减主轴转速实验中，分析了该新型电磁轴 承的运动特性n 。加拿大t u r b o c o r 公司已将永磁偏置电磁轴承应用于高速主轴的压缩机 上。美 l e v i t r o n i x 公司在永磁偏置电磁轴承的控制系统集成化方向上应经实现应用研究 【2 1 总体而言，近年来欧美等发达国家在永磁偏置电磁轴承领域的研究处于世界领先地 位。随着永磁偏置电磁轴承研究工作的不断深入和性能的不断提高，国外大量研究成果都 申请了科研专利，并在机械工业、航天航空技术、军事工业等工程应用领域都有重大突破。 相对来讲，由于国内对永磁偏置电磁轴承的研究工作起步较晚，目前大量的科研工作还处 在理论及实验研究阶段。 1 9 9 9 年南京航空航天大学的曾励等对永磁偏置径向电磁轴承系统地提出了结构参数 设计计算理论n 1 。2 0 0 2 年江苏大学电气信息工程学院与南京航天航空大学共同提出了同 时控制转子轴径向及轴向位移的永磁偏置电磁轴承结构形式，并对该新型结构形式电磁轴 承的各项参数进行了分析与研究。2 0 0 3 年南京师范大学控制科学与工程系的王怀颖对永磁 偏置电磁轴承的电磁力进行的理论分析7 1 。同年，南京航天航空大学机电学院的王冠、 徐龙祥等对永磁偏置五自由度电磁轴承的结构参数设计提出了计算方法，并应用有限元方 法对数值计算进行了验证2 1 。南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验的李冰、邓 智泉等提出一种新颖的永磁偏置三自由度电磁轴承，通过实验验证了该电磁轴承适用于飞 2 轮储能、空调压缩机等高速应用场合“1 。2 0 0 4 年山东大学电气工程学院的顿月芹、徐衍 亮等提出一种新型结构转子磁体永磁偏置电磁轴承，在给出轴承结构设计方案的同时进行 了样机试验n 1 。2 0 0 6 年国防科技大学航天与材料工程学院的肖凯、张育林等定性分析了 永磁偏置电磁轴承的静刚度特性，并通过实例分析了电磁轴承控制系统与轴承综合刚度的 关系5 1 。2 0 0 7 年北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的孙津济、房建成等利用等 效磁路法对应用于磁悬浮飞轮的永磁偏置径向电磁轴承进行了磁路分析，并提出了基于位 移和电流刚度的永磁偏置径向电磁轴承的设计方法与设计实例“1 。2 0 0 8 年西安理工大学 朱美丽等对永磁偏置径向电磁轴承进行了系统的分析计算，并提出一套规范的结构设计方 法8 1 。 现阶段国内在永磁偏置电磁轴承的研究领域也取得了一定成果，但大多是基于理论研 究层面上，相比国外已经将理论研究应用于工程领域，我们在科研与应用水平上还有一定 差距。 1 3 论文工作的主要内容 1 3 1 论文的提出 永磁偏置电磁轴承结合了主动型磁悬浮轴承和被动型磁悬浮轴承的特点，采用永磁材 料替代电磁线圈来产生所需的偏置磁场，电磁线圈只负责建立控制磁场，较大程度地降低 了磁悬浮轴承的功率损耗，减小了产生单位承载力所需的体积和重量。以上特点使其在对 体积和功耗有着严格要求的领域具有不可替代的优势，因此永磁偏置电磁轴承已成为磁悬 浮轴承研究与发展的一个重要方向。 综合分析永磁偏置电磁轴承的国内外研究现状，永磁偏置轴向电磁轴承的设计方面缺 乏系统的设计指导方法，在标准化工业应用领域，至今没有形成可供选择的标准化、系列 化永磁偏置轴向电磁轴承标准，故而这些都将是本文研究工作的出发点和切入点。研究发 现，现有永磁偏置轴向电磁轴承在结构形式上存在着一定的缺陷，不利于生产装配等实际 应用领域，也不便于标准化、系列化的推广使用，本文采用一种新型永磁偏置轴向电磁轴 承结构，在详细介绍其结构形式及工作原理的基础上，通过磁路分析给出了设计、计算方 法，在此基础上，通过使用a n s y s l l 0 软件对数值计算结果进行仿真分析、比较，给出一 套适用于该新型电磁轴承的规范化结构设计计算方法，并针对该结构提出了标准化设计的 基本参数，详细分析了轴承参数对轴承力学性能的影响，为永磁偏置轴向电磁轴承结构的 标准化提供了一些可借鉴的思路与方法。 1 3 2 论文的主要工作 论文首先比较传统永磁偏置轴向电磁轴承的优缺点，介绍一种新型永磁偏置轴向电磁 轴承。阐述该新型永磁偏置轴向电磁轴承的结构形式及特点，详细说明它的磁路产生机理 和工作原理，并利用等效磁路法对该新型电磁轴承各项力学参数模型进行数值计算推导， 西安理工大学硕士学位论文 其中包括永磁、电磁磁路磁通计算，轴承承载力能、电流及位移刚度数学模型的推导，同 时，分析并确定影响该新型电磁轴承承载能力的因素。在此基础上，论文针对新型永磁偏 置轴向电磁轴承的结构特点，给出该新型电磁轴承结构的一套标准设计计算方法，并应用 有限元磁场分析软件a n s y s l1 0 ，对设计计算出的实例电磁轴承进行磁场仿真分析计算， 同时详细说明整个分析及操作过程，而后比较理论数值计算与有限元软件计算的结果，对 该新型电磁轴承结构设计的可行性进行分析验证。 为使文中新型永磁偏置电磁轴承在今后的工程应用领域标准化、系列化，提出可供选 择轴承型号常用的基本设计参数，并讨论这些参数对轴承动、静态等力学性能的影响，以 及其对轴承整体尺寸参数的影响。 1 3 3 论文内容安排 第一章，论述了永磁偏置电磁轴承与传统电磁轴承的区别，以及传统永磁偏置轴向电 磁轴承的缺陷和文中新型电磁轴承的实际研究意义。通过分析国内外永磁偏置电磁轴承的 发展状况，确定本文的选题背景和主要工作内容。 第二章，详细介绍新型永磁偏置轴向电磁轴承的结构特点，分析讨论其磁回路产生机 理和轴承的工作原理，最后利用等效磁路法对该新型电磁轴承进行磁路分析并推导各力学 性能的数学模型。 第三章，分析以往永磁偏置电磁轴承的结构设计方案，结合本文新型电磁轴承的结构 特点，系统提出本文新型电磁轴承的结构设计计算方法，并通过实例计算详细说明该设计 方法。 第四章，说明有限元磁场分析的方法和般步骤，并利用有限元分析软# c a n s y s l1 o 分析实例计算的永磁偏置轴向电磁轴承结构。通过计算其在平衡位置处的磁感应强度及磁 场强度，获得新型电磁轴承模型在该位置处的磁场形态，同时，验证分析计算结果与实际 理论设计计算结果的差异，证明该新型电磁轴承结构设计的合理性与可行性。 第五章，提出新型电磁轴承标准化、系列化设计的基本参数，计算分析基本参数对轴 承动态及静态特性的影响，以及其对轴承整体尺寸参数的影响情况。最后给出可供选择轴 承类型的具体参数数值。 第六章，总结本文所做的主要工作，分析取得的研究成果，总结研究过程中存在的难 点、疑点，以及研究过程中忽视的相关问题点。深度剖析疑难点问题，并将前面章节忽略 掉的问题提出，为今后新型永磁偏置轴向电磁轴承的研究工作提供参考性强、实际应用价 值大的待研究内容。 4 第二章永磁偏置轴向电磁轴承结构与磁路分析 2 永磁偏置轴向电磁轴承结构与磁路分析 2 1 永磁偏置轴向电磁轴承 在电磁轴承一转子系统中，一个三维空间上的转子共包括六个刚体自由度：三个平动， 三个绕轴的转动，其中一个转动是自由的，不需要约束，于是，轴承一转子系统要求给转 子在空间上提供五个控制力，以便使其处于完全悬浮状态1 。通常，我们在轴向上提供 一个推力电磁轴承约束其沿z 轴的平动，在径向上提供两个电磁轴承约束其沿x 、y 轴的平 动，以及绕x 、y 轴的转动。具体施加约束方案如下图2 1 所示。 轴承定子 1 芏i 马吧化2 书耳取位咧电健2 捌争甄：剐l 呵吧皿耵嘲月臣 r 1 ap _ r 1 网 。 。囫圈恩攀 q 7 、 f 、一 ll x ) j1 、 r 囫圃斟窭 幽 ；、 一一 i 丫 图2 一l 电磁轴承转子系统示意图 f i g 2 - 1e l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n ga n dr o t o rs y s t e m 线圈绕组 轴承定子线圈绕组 图2 - 2 传统轴向电磁轴承结构图2 - 3 永磁偏置轴向电磁轴承结构 f i g 2 2t r a d i t i o n a la n da x i a lf i g 2 3p e m i a n e n tm a g n e tb i a s e d e l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g a x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g 轴向电磁轴承用于高速主轴中轴向自由度的约束，传统轴向电磁轴承( 推力电磁轴 承) ，如图2 2 所示，它由轴承定子、线圈绕组及推力盘组成。两侧的轴承定子分别和推 力盘，以及其间的气隙构成两个闭合磁路。其基本工作原理是：两线圈绕组通电产生磁通， 转子推力盘在两侧磁场吸力以及外负载的作用下，悬浮于中间的平衡位置。传统轴向电磁 轴承机械结构复杂，磁场由线圈电流产生，因此，轴承容易发热，引起轴承温升，进而影 西安理工大学硕士学位论文 响轴承内部磁场。 图2 3 是一种永磁偏置轴向电磁轴承的结构示意图d 1 。该电磁轴承与上面的传统的轴 向电磁轴承相比，采用永磁体提供轴承偏置磁场，因此，该轴承结构紧凑，空间利用率高， 减少了线圈的数量，轴承发热量小。分析上述两种结构的轴向轴承，都存在一个问题：推 力盘结构较大，限制了转子轴的转速，特别是这种电磁轴承结构不易于形成标准化结构， 轴承的生产与装配都不易形成标准，也就限制了电磁轴承的推广和使用。 2 2 新型永磁偏置轴向电磁轴承结构 如图2 4 ，新型永磁偏置轴向电磁轴承由轴向轴承定子、轴向线圈绕组( 控制线圈) 、 环型永磁体及轴承转子等组成“。各组件结构如图2 5 所示。工作时轴向两个线圈绕组 串联作为控制线圈。永磁体通常采用稀土永磁材料，轴承定子部分则采用导磁性能较好的 铁磁材料。 在图2 4 所示的结构中，当轴向稳定悬浮时，轴承中永磁体提供静态偏置磁场使转子 轴处于悬浮的中间位置，这个位置也叫做轴承一转子系统的平衡位置。与传统轴向电磁轴 承相比，轴承系统的转子轴上不需要安装大型结构的推力盘装置，永磁体提供静态偏置磁 场，提高了永磁磁通的利用率。与此同时，这种新型轴承结构紧凑，便于装配，易于标准 化、系列化。 6 轴承定子 线圈绕组 图2 4 新型永磁偏置轴向电磁轴承结构示意图 f i g 2 4n o v e lp e r m a n e n tm a g n e tb i a s e da x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n gs t r u c t u r e o o 叠 图2 5 新型永磁偏置轴向电磁轴承各组件结构图 f i g 2 - 5n o v e lp e r m a n e n tm a g n e tb i a s e da x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n ge a c hp a r t 第二章永磁偏置轴向电磁轴承结构与磁路分析 2 3 新型永磁偏置轴向电磁轴承工作原理 新型永磁偏置轴向电磁轴承中的 磁通回路如图2 6 所示，其工作回路由 永磁磁通回路和电磁控制磁通回路两 部分组成。永磁磁通回路由径向磁化的 永磁体提供磁能，磁通分别经过轴承转 子、轴向气隙、轴向定子后回到永磁体 磁场减弱 s 极；控制磁通回路由两组轴向控制线 圈绕组提供控制电流，控制电流在轴承 一转子系统中产生控制磁场，并在轴向 气隙与轴承定子和轴承转子部分形成 控制磁通回路。 吵 电磁力f 线圈绕组 永磁磁通 控制磁通 磁场增强 图2 - 6 新型轴向电磁轴承永磁磁通和控制磁通回路 f i g 2 - 6n o v e la x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n gp e r m a n e n t m a g n e tf l u xc i r c u i ta n de l e c t r o m a g n e t i s mf l u xc i r c u i t 如图2 - 6 所不，当转于稳足悬浮在半衡位置时，根据轴承结构的对称住口j 知，轴同电 磁轴承中永久磁通在左侧气隙k 和右侧气隙k 处相等，此时左右吸力相等，转子处于平 衡状态。根据磁场电磁力与磁通的关系可得： 2 告 陇1 ) 2 ( 2 2 ) 式中， 吃一转子左面受到的电磁吸力； 九三一左侧气隙处产生的合成磁通； e 一轴向磁极面积； 导率。 f a r 一转子右面受到的电磁吸力； 虹一右侧气隙处产生的合成磁通； 一空气磁 在平衡位置附近，转子受到外扰力偏移平衡 位置，造成轴承在左右气隙处的永磁磁通发生变 化，气隙增大，永磁磁通减少，相反气隙减少， 永磁磁通将增加。如果轴承转子仅在永磁体控制 下，随着转子的轴向偏移，转子不能在永磁体提 供的偏置磁场中回到原来的平衡状态，此时传感 器可以检测出转子偏离原平衡位置的偏移量，偏 移量经过控制器将这一位移信号转换为控制信 图2 7 新型轴向电磁轴承工作原理图 f i g 2 7n o v e la x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n gw o r k p r i n c i p l e 7 西安理工大学硕士学位论文 号，功率放大器随后将该控制信号转换为控制电流i a ，控制电流，。通过线圈绕组在轴承一 转子系统中产生控制磁通。，在控制磁通驴。，作用下，转子将回到平衡位置。新型电磁 轴承工作原理如图2 7 所示。 根据新型永磁偏置轴向电磁轴承结构，当转子受到外扰力向左偏移，控制电流方向如 图2 5 所示，在控制磁通的作用下，由于轴向转子右侧气隙，。处的控制磁通和永磁磁通的 方向相同，则永磁磁通妒佣与控制磁通。e 相加，从而使气隙厶处总的磁通变大，即 = + 虹；控制磁通虹在轴向转子左侧气隙处，由于与永磁磁通的方向相反， 故在气隙l l 处的总磁通减少，即虬= 一虹。最终，由于轴承转子在左右气隙处产生 的电磁力发生变化，即e 。只，使得转子重新回到原来的平衡位置。同理，当转子受到 外扰力向右偏移，控制电流方向将与图示方向相反。 2 4 新型永磁偏置轴向电磁轴承磁路分析 一般而言，磁通所占的空间区域称为磁路。根据关于磁场的高斯定律，磁通是连续的， 因而，磁路应当是一个连续区域。磁路一般由铁磁材料部分( 如软磁体) 与非铁磁材料部分 ( 如工作间隙、漏磁空间等部分) 所组成。具有高磁导率的金属材料构成了磁通回路的主要 路径，相当于电路中具有一定电导的导电线路。永磁铁或电磁铁励磁线圈中的电流产生一 定的磁动势，相当于电路中的电势源n 1 。为简化分析，在建立磁路模型时假设不考虑软 磁材料磁阻。 2 4 1 支路磁通量计算 图2 8 新型永磁偏置轴向电磁轴承等效磁路图 f i g 2 8n o v e lp e r m a n e n tm a g n e tb i a s e da x i a le l e c t r o m a g n e t i s mb e a r i n g e q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i t 图2 9 永磁磁路等效磁路图 f i g 2 9p e r m a n e n tm a g n e te q u i v a l e n tc i r c u i t n 工a 图2 1 0 电磁磁路等效磁路图 f i g 2 10e l e c t r o m a g n e t i s me q u i v a l e n tc i r c u i t 第二章永磁偏置轴向电磁轴承结构与磁路分析 图2 8 是新型永磁偏置轴向电磁轴承的等效磁路图，图2 9 、2 1 0 是分别是永磁、电磁 等效磁路图。啦表示永磁体在磁路中产生的总磁通，e 表示永磁体提供的工作磁动势， 其相当于电路中的电流源， m 是轴向控制线圈的匝数，i 。为通过电流。则轴向左右气 隙磁导： 吒2 丽s a u o = 和s a p o ( 2 3 ) 式中， 乇一转子处于平衡位置时的气隙长度； ，一气隙长度变化量； 一空气磁导率； s 。一轴向磁极截面积。 当转子处于平衡位置，轴向偏移量为零，即a = 0 ，则轴向气隙处磁导： q ：挚 ( 2 4 ) t o 永磁体产生的磁通： 如= e 2 q ( 2 5 ) 轴承轴向控制磁通： 虹= 2 n a a ( 吒+ ) ( 2 6 ) 文中永磁磁通与控制磁通共同工作，可以根据磁通流向求解出各支路中的磁通。计算 结果如下： = 啦急一 = 啦瓦g a r + 其中 q 缏= 吆+ g 肷 = 如急 = 啦象 虹 奄气e ( 2 7 ) ( 2 。8 ) ( 2 9 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 2 4 2 新型永磁偏置轴向电磁轴承电流刚度和位移刚度 图2 - 1 1 轴承转子发生沿z + 万同偏移不蒽图 f i g 2 - 11b e a r i n gr o t o rd i s p l a c e m e n ta l o n ga x i sz 由于结构的对称性，新型电磁轴承在平衡位置处转子左右两侧气隙相等，即 乞：k ：乇。通常在结构设计中，取轴承端盖厚度6 ：旦；盘。 在图2 1 1 电磁轴承转子系统中，转子受到外扰力发生轴向偏移止，设 止 6 ：垒兽。一般心：o 5 聊聊1 渐所，6 ：7 m m 1 5 聊m 。 此时，对于永磁回路，左侧气隙为毛= t o + a j ，右侧气隙为k = 毛一出。由于a 毛， 故在刚度计算时可忽略不计。而对于电磁回路，磁路总气隙长度不发生变化，即 l = l l + l r = 2 t o o 从图2 1 1 中可以看到，轴向转子受到向z 轴正方向的干扰力，同时发生了沿z 轴正方向 的位置偏移量。设位移值为a z ，则转子回到平衡位置需要沿z 轴负方向的电磁力即为： e 哦哦= 镨 ( 2 1 0 ) f ：竺一b 2 r s a r 2 o2 p o 2 去( 矾搿r ) = 去 ( + 磁) 2 一( 一磁) 2 根据安培环路定律e 厶= 0 ， 1 0 第二章永磁偏置轴向电磁轴承结构与磁路分析 左侧水磁回路月c 厶2h p l 【乇+ f ) ，右侧水磁删路月c 厶2 刀艘( 厶_ ? ) ，即 确隅确珥器 2 鳓以2 地以面i l 面l f h ：j ：a l 厶可忽略不计，故：廓：以皇皇 e ：善4 b e b 占 又m l ：2 b e l o ，曝：掣墼，则 p o z i o e ：坠鹄型丝 ( 2 11 ) 公式( 2 1 1 ) 即为文中新型永磁偏置轴向电磁轴承电磁力的数学模型表达式。 为推导新型电磁轴承电流刚度系数和位移刚度系数，需要对电磁轴承的电磁力e 在 点z = 0 ，= 0 处进行泰勒展开，计算忽略二阶导数以上的i 奇次项。则有： 砒l ) 兰瓤劈”誓b 隰2 ) 式中第一项和第二项系数分别为新型轴承电流刚度k 和位移刚度髟z 。 其中， ：业掣 ( 2 1 3 ) 髟z = 0 ( 2 1 4 ) 式中，只一永磁铁矫顽力；l m 一永磁体径向磁化方向长度。 从公式( 2 1 3 ) 分析得出，轴承初始气隙厶作为常量保持不变，当电磁轴承其他结构 参数确定时，电流刚度系数将与永磁材料本身提供的的矫顽力成正比关系。因此，我们可 以判断得出结论：电流刚度系数随着永磁体内部磁动势的增大而增大，电磁力随着永磁体 内部磁动势的增大而增大。 2 5 本章小结 本章首先介绍了一种新型永磁偏置轴向电磁轴承的结构形式。通过分析新型电磁轴承 西安理工大学硕士学位论文 的永磁磁通回路和电磁磁通回路，说明其磁路工作的基本原理。然后利用等效磁路法分析 并计算得到，磁路中永磁磁通、控制磁通以及各支路合成磁通量的数学模型。最后在上述 数值分析的基础上，推导出了新型永磁偏置轴向电磁轴承电磁力的数学模型，以及电流刚 度系数和位移刚度系数的数学表达式。总结得出：磁路各项结构参数确定，且磁路未达到 饱和时，该新型永磁偏置轴向电磁轴承的承载力与永磁体内部磁动势成正比关系。 1 2 第三章新型永磁偏置轴向电磁轴承设计 3 新型永磁偏置轴向电磁轴承设计 3 1 新型电磁轴承主要技术指标 新型永磁偏置轴向电磁轴承采 用圆柱形轴承转子形式结构，轴承转 子与转子轴装配在一起，轴承定子部 分则由沿轴向对称的两个定子端盖 和轴承定子组成，软磁材料通常选用 高磁导率电磁铁。在轴承定子两侧有 圆环线圈绕组，线圈绕组提供电磁轴 承的控制磁场。环形永磁体沿径向磁 化提供偏置磁场。新型电磁轴承的结 构形式如图3 1 所示。 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 轴承一转子系统品质指标 电磁轴承系统的品质指标包含静态和动态品质指标。静态品质指标主要指系统在平衡 位置时的位置误差，动态品质指标则描述系统的频响特性，同时也包括轴承一转子系统在 各种干扰下的相对稳定性。 显然，上述电磁轴承一转子系统的主要性能指标都与轴承定子、轴承转子、线圈绕组 和永磁体等部件的形式、尺寸以及相对位置等密不可分，这样就要求我们在电磁轴承结构 设计中尽量考虑其系统性能的综合指标。 3 2 轴承磁路参数设计 新型永磁偏置电磁轴承的磁路参数设计计算决定轴承定子及轴承转子的几何尺寸，并 在此基础上我们可以确定最佳的永磁材料工作点、磁极面积、气隙大小等。同时，还需要 在设计中确定电磁轴承的力学参数，如电流刚度系数和位移刚度系数等。 通过分析我们发现，当转子轴外径尺寸及轴承转子外径尺寸确定后，新型电磁轴承的 磁极面积便可以确定。再结合第二章推导出的电磁轴承承载力及电流刚度系数等数学模 型，容易发现磁极面积确定后，电磁轴承的静、动态特性即可分析出相应结果。这一点本 文将在后面的章节做进一步分析。 这里需要特别指出，根据新型电磁轴承结构形式，考虑到线包装配等问题，线圈绕组 尺寸的计算将决定了整个轴承定子部分的结构设计计算。表3 1 、3 2 分别给出了新型电 磁轴承结构设计中的确定与待设计参数符号。 表3 1 结构设计中的确定参数 t a b l e 3 1t h ek n o w ns t r u c t u r ed e s i g np a r a m e t e r 设计参数符号设计参数符号 最大承载力 f 轴承磁饱和强度 玩。m a x 转子轴直径 吨 永磁体剩磁e 径向气隙 永磁体矫顽力 h c 轴向气隙 电流密度j 空气磁导率 o 最大电流 l m a x 注：表3 1 中转子轴直径指代转子主轴外径尺寸； 表3 2 中定子内径( 大) 指代轴承定子总成外径减掉2 倍的定子厚度后的尺寸； 表3 2 中定子内径( 小) 指代轴承定子与环形永磁体外径配合处的尺寸。 1 4 第三章新型永磁偏置轴向电磁轴承设计 表3 2 结构设计中的待设计参数 t a b l e 3 2t h eu n k n o w ns t r u c t u r ed e s i g np a r a m e t e r 设计参数符号设计参数符号 轴承转子内径 西 线包轴向长度 色 轴