（电机与电器专业论文）转子磁体永磁偏置混合磁轴承的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a lb e a r i n g s ，t h em a g n e t i cb e a r i n g s h a v eg r e a ta d v a n t a g e s t or e d u c et h el o s s e sf u r t h e rm o r e ，t h ep e r m a n e n tm a g n e t b i a s e dh y b r i d t y p em a g n e t i cb e a r i n g sh a v e b e e nw i d e l ya t t a c h e di m p o r t a n c et o u n d e rt h ea e g i so fi m p o r t a n tp r o j e c tp r e s i d e db yb e i h a n gu n i v e r s i t y ，a i m i n ga tt h e h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n gw h i c hi su s e dt os a t e l l i t ea t t i t u d ec o n t r o l e n e r g ys t o r a g e f l y w h e e lw i t ha n g u l a rm o m e n to f15 n m sa ts p e e do f2 5 0 0 0r p m ，t h ep r o f o u n d a n a l y s i sa n ds t u d yo nah y b r i d t y p em a g n e t i cb e a r i n gw i t hp e r m a n e n tm a g n e ti n r o t o ri sc o m p l e t e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h ec o n f i g u r a t i o na n do p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h en e wm a g n e t i cb e a r i n ga r e i n t r o d u c e df i r s t l y b a s e do nt h i s ，t h ee q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i tm o d e l sa r e p u tf o r w a r d ，a n dt h em o d e l sa r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e db ys u p e r p o s i t i o n p r i n c i p l e t h ef o r m u l a so fc a r r y i n gf o r c e so ft h em a g n e t i cb e a r i n ga r e d e d u c e d ，a n d t h e nt h e c o u p l i n g c h a r a c t e ra n dc u r r e n t s t i f f n e s sa n d d i s p l a c e m e n t - s t i f f n e s so ft h em a g n e t i cb e a r i n ga r es t u d i e da n da n a l y z e d t h e2 - df e ma n d3 - df e ma n a l y s e so ft h em a g n e t i cb e a r i n ga r ea n a l y z e d a n dc a l c u l a t e d t oh e n c ec a l c u l a t i o np r e c i s i o n ，t h el e a k a g es h o u l db e c o n s i d e r e d ，a n dt h el e a k a g ec o e f f i c i e n t so fp e r m a n e n tf i e l da n de x c i t e do n e a r ec a l c u l a t e ds e p a r a t e l yb y2 - df e mo ft h em a g n e t i cb e a r i n g t h e3 - d f e mo ft h em a g n e t i cb e a r i n gi ss t u d i e dt ov a l i d a t et h ev a l i d i t yo f c a l c u l a t i o no fm a g n e t i cc i r c u i t s ，w h i c ha n a l y z et h ed i s t r i b u t i o na n da c t i o n o fm a g n e t i cf i e l d su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s a n dt h e nt h ed i s t r i b u t i o n so f r a d i a l a i r - g a p f l u x d e n s i t y a n dt h ef o r c e c u r r e n tl i n e a rc o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c sa r eg i v e n o nt h eb a s i so fa n a l y s i sw i t hf e m ，t h el o s s e sa n d t h ef o r c e c u r r e n tl i n e a rc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tm a g n e t i c b e a r i n g sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d b a s e do nt h em a g n e t i cc i r c u i tm o d e l sa n df e ma n a l y s e s ，t h ea n a l y s i sa n d d e s i g ns o f t w a r eo ft h em a g n e t i cb e a r i n gi sw o r k e do u t t h ee l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r sa n dc a l c u l a t i o nf o r m u l a su n d e rd i f f e r e n ts t a t e sa r ed e f i n e du s i n g v 山东大学硕士学位论文 t h ed e s i g nt h e o r yo fe l e c t r i cm a c h i n e t h ep r o g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i c d e s i g no f t h em a g n e t i cb e a r i n gi sc o m p i l e dc o n s i d e r i n gl e a k a g ec o e f f i c i e n t s t h em e t h o do ft h et r a n s f e ro fa n s y sa n dm a t l a bb yv bt or e a l i z e v i s u a lc a l c u l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sp r o v i d e d i tw o r k si n s y n c h r o n o u sm o d ea n dp l o t si nm a t l a bw i t ht h ed a t af r o mt h ea n a l y s i so f t h em a g n e t i cb e a r i n g ap r o t o t y p eh y b r i dm a g n e t i cb e a r i n gi sm a n u f a c t u r e di nt h ea p p l i c a t i o no f 15 n m ss a t e l l i t ea t t i t u d ec o n t r o la n de n e r g ys t o r a g ef l y w h e e ls y s t e mw h i c h c a no p e r a t es t a b l yu pt o2 5 0 0 0 r r a i n t h ec o m p a r e de x p e r i m e n t sa r et a x i e d o u tb e t w e e nt h e f l y w h e e ls y s t e ms u s p e n d e db y t h ep r o t o t y p eh y b r i d m a g n e t i cb e a r i n ga n ds u s p e n d e db yt h ea c t i v eo n e k e y w o r d s ：a t t i t u d ec o n t r o la n de n e r g ys t o r a g ef l y w h e e l ；h y b r i dm a g n e t i cb 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 s ；e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n ；e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d a n a l y s i s ； v l 山东大掌硕士学位论文 符号说明 1 1d ：真空磁导率 口。：平衡位置x 轴向电励磁磁通 掣，： 相对磁导率 中。，：平衡位置y 轴向电励磁磁通 r 。：永磁体的计算磁动势中。+ ：x 轴正向气隙的电励磁磁通 。：永磁体磁化方向长度毋。：x 轴负向气隙的电励磁磁通 ：永磁体的内磁导中。：y 轴正向气隙的电励磁磁通 a ，。：永磁体的供磁面积驴，：y 轴负向气隙的电励磁磁通 驴。：永磁体产生的总永磁磁通中，+ ：x 轴正向气隙的合成磁通 庐。口：平衡位置气隙的永磁磁通吒：x 轴负向气隙的合成磁通 中，时：x 轴正向气隙的永磁磁通中，+ ：y 轴正向气隙的合成磁通 毋，。：x 轴负向气隙的永磁磁通驴，：y 轴负向气隙的合成磁通 驴p 。一：y 轴正向气隙的永磁磁通 一： 磁轴承磁极弧面的面积 驴p w ：y 轴负向气隙的永磁磁通爿，：磁轴承的线负荷 g + ：x 轴正向气隙磁导 ： 每线圈匝数 瓯：x 轴负向气隙磁导 工：磁轴承x 轴向位移 g ，+ ：y 轴正向气隙磁导) ，：磁轴承y 轴向位移 g , - ： y 轴负向气隙磁导 占：磁轴承的平衡气隙 g o ：平衡位置气隙磁导 g b ：磁轴承的保护气隙 足：x 轴向电励磁磁动势& ：x 轴向控制电流 b ：y 轴向电励磁磁动势0 ：y 轴向控制电流 中o + ：疋在x 轴正向气隙的磁通k ：最大控制电流 扩。：疋在x 轴负向气隙的磁通五：x 轴向电磁力 中0 ，+ ：凡在y 轴正向气隙的磁通石：y 轴向电磁力 吒，：足在y 轴负向气隙的磁通五：x 轴向最大承载力 口+ ：毋在x 轴正向气隙的磁通厶一： y 轴向最大承载力 0 ，：b 在x 轴负向气隙的磁通 op 。： 永磁磁场的漏磁系数 秒。，+ ：，y 在y 轴正向气隙的磁通0d ：电励磁磁场的漏磁系数 e y - ：b 在y 轴负向气隙的磁通 曰： 磁通密度 v i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：煎国塾 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：数因茎导师签名：i 金! 连自日期：丝：! 竺：竺 山东大学硕士掌位论文 1 1 课题来源及研究意义 第一章绪论 储能飞轮( e n e r g ys t o r a g ef l y w h e e l ) 作为空间飞行器姿态控制系统的执行 机构 1 , 2 1 ，体积小、重量轻、长寿命、高可靠性、低功耗性是它的主要指标要 求。通过提高飞轮系统的最高运行转速可以有效降低飞轮系统的体积和重量， 因此，选择最优的高速磁轴承支撑系统成为飞轮系统实现其长寿命、高可靠性、 低功耗等性能指标的关键。姿控储能飞轮系统中，减少磁轴承损耗是一个亟待 解决的问题，通过优化设计可以降低磁轴承的功耗，但采用无偏置电流方式并 降低偏置磁通密度的交变频率可以大大降低磁轴承损耗。永磁偏置混合磁轴承 恰好解决了上述问题，本文在北京航空航天大学主持的国防民用航天预研项目 “卫星姿控储能两用飞轮”的支持下，针对1 5 n m s 角动量，2 5 0 0 0 r m i n 额定 转速的姿控储能飞轮用混合磁轴承，对“转子磁体永磁偏置混合磁轴承”进行 了深入分析和研究【3 1 由于国内对磁轴承的研究主要是针对工业上的应用 4 - 1 0 1 ，对航空航天领域 的应用研究还处于起步阶段 1 0 , i i j 磁悬浮轴承系统不但涉及控制问题更重要的 是电磁设计问题，良好的电磁设计研究对飞轮系统的功耗性能指标要求尤为重 要。磁悬浮轴承的电磁设计计算研究是研制高性能飞轮系统的基础，本文对转 子磁体永磁偏置混合磁轴承的电磁设计计算研究具有重要的理论意义和现实 意义 1 2 磁轴承简介 1 2 1 磁轴承的结构原理 磁悬浮轴承简称磁轴承，利用磁场力提供无接触支承，实现转子的稳定悬 浮磁轴承的出现是对传统支承技术的革命，它作为一种新的支承形式，其优 良的性能和广阔的应用前景引起了众多学者的浓厚兴趣。磁轴承的研究内容涉 及到电磁学、电子学、控制理论，机械学、转子动力学、材料学、和计算机科 学等学科。 图l - l 为一个简单磁轴承的结构原理f n l ，其由转子、位移传感器、控制器、 。 l 山东大学硕士学位论文 功率放大器以及电磁铁构成，并由此形成闭环系统传感器检测出转子偏离参 考点的位移，作为控制器的微处理器将该位移变换成控制信号，然后通过功率 放大器将这一控制信号转换为控制电流，该电流在执行磁铁中产生磁力从而使 转子维持其悬浮位置不变。悬浮系统的刚度、阻尼以及稳定性由控制规律决定。 1 2 2 磁轴承的优点 功事敏太嚣电毫饺 图l - l 磁轴承的组成及工作原理 由于磁轴承( m a g n e t i cb e a r i n g ，简称m b ) 是利用磁场力将转子悬浮于空间， 其转子和定子之间没有任何机械接触。因此具有以下优点【1 3 1 6 l ： 无机械接触、低功耗 寿命长、可靠性高磁轴承转子由磁场力来悬浮，相对运动表面之间无机械 接触，因此不存在磨擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题 高转速。磁轴承支承的转子可以在每分钟数十万转的工况下工作，其圆周速 度只受转子材料强度的限制。 无需润滑。因而不存在润滑剂对环境的污染，。在真空、辐射和禁止使用润滑 剂介质污染的应用场合，磁轴承的优势无可比拟 精度高、主动控制性好。刚度、阻尼等可以通过调节控制器参数进行调解 1 2 3 磁轴承的国内外研究现状及其工业应用 1 2 3 1 国外研究现状及工业应用 目前，国际上对磁悬浮轴承的研究工作和学术氛围相当活跃【1 7 2 7 1 从学 术研究方面，1 9 8 8 年在瑞士召开了第一届“国际磁悬浮轴承会议( i n t e r n a t i o n a l s y s p o s i u mo n m a g n e t i c b e a r i n g ) ”，此后该会议每两年召开一次，每次会议都有 大量关于磁悬浮轴承的论文发表；美国在1 9 9 1 年召开了“磁悬浮技术在航天 中的应用( a e r o s p a c e a p p l i c a t i o no f m a g n e t i cs u s p e n s i o n t e c h n n o i o g y ) ”的学术 2 山东大学硕士学位论文 r o l l 讨论会，此后也是每两年召开一次，这在很大程度上推动了磁轴承的应用研究。 6 0 年代初美国德恩伯实验室首先在空间制导和惯性轮上成功地使用了磁 轴承；1 9 7 2 年法国军事科学研究实验室将磁轴承用于卫星导航的惯性轮上； 1 9 8 3 年1 1 月搭载于美国航天飞机的欧洲空间仓内安装了采用磁轴承的真空 泵；1 9 8 6 年6 月日本在h 1 型火箭上进行了磁悬浮飞轮的空间试验；1 9 9 7 年 前后德恩伯实验室又报道了一系列有关航空发动机用的高温磁轴承的研究成 果：1 9 9 8 年m j b a l o n 等人将磁轴承应用于人工心脏泵f 2 引，随后，2 0 0 0 年 j x s h e n 等人也将磁轴承应用于人工心脏1 2 9 1 。最近几年。国外对磁轴承在发动 机中应用的可行性作了系统研究，结果表明：使用磁轴承可以将发动机的重量 减轻1 5 并将其效率提高5 左右 从工业应用方面，国外不仅将磁轴承应用于宇航部门，而且已迅速运用到 军事部门和基础工业部门的数百种不同运动机械上，诸如：高速磨床、铣床、 离心机、透平压缩机、高速电机等此外，美国、法国、瑞士、日本和我国都 在开展磁轴承的研究工作，国际上这些努力大大推动了磁轴承在工业中的广泛 应用 1 2 3 2 国内研究现状及工业应用 在国内，磁轴承的研究始于6 0 年代，由于发达国家的技术封锁以及我国 在此领域起步较晚，研究水平相对而言比较落后，使得我国在磁轴承的研究与 应用方面比国外先进国家落后2 0 多年从7 0 年代末以来，许多高校及科研院 所在磁轴承研究方面投入人力、物力进行深入研究，并致力于投入工程应用， 由于种种原因，目前还都基本处于实验室及工业试验运行阶段，而且研制的样 机还存在着多种问题，例如可靠性不高、发热大、不能长期稳定工作，因此还 没有进行批量生产及成功应用于实际机组的例子目前。国内清华大学、西安 交通大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学等都在开展磁轴承应用方面的 研究 3 - 1 2 , 3 0 - 3 3 i 目前我国的磁轴承在工业应用方面尚有许多实际问题亟待解决，有关磁轴 承设计方面的技术参数指标和标准尚未制定，就目前发展状态而言，它本身也 远没达到替代其他轴承的水平，除磁性材料性能及磁轴承的控制系统方面尚有 许多课题等待研究和解决之外，设计理论尚未成熟，造价昂贵也是主要原因 3 山东大掌硕士学位语文 1 3 磁轴承分类及其研究发展 1 3 1 磁轴承分类 按照磁场的提供方式，磁轴承可分为以下三类m i ： 被动磁轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称p m b ) 又称为永磁轴承，p m b 完 全利用不可控的永磁体产生的电磁力实现磁轴承转子的被动支撑。 电励磁偏置磁轴承也称为主动磁轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ，简称a m b ) 或有源磁轴承，通过控制电磁力实现磁轴承转子的可控磁悬浮。 永磁偏置混合磁轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g 简称h m b ) 即有电励磁线圈， 又有永磁体，其偏置磁场由永磁体提供，而电励磁线圈提供控制磁场。 l 被动磁轴承 被动磁轴承通常采用若干个环形永磁体按一定的极性成对布置而成，按磁 体充磁方向可分为径向和轴向永磁轴承两类，而每一类按磁力提供形式又分为 斥力型和引力型两种。”j e a n p a u ly o n n e t l 3 8 1 计算了两个磁偶极子之间的 耦合能、磁力及刚度，得出了由两个永磁体环构成的径向永磁轴承和轴向永磁 轴承所具有的结构布局形式分别如图1 - 2 图1 - 3 所示实际应用设计中，为了 实现不同的功能，永磁轴承的结构形式可能很复杂，但复杂的结构形式都是这 些基本结构形式通过不同的组合演化而成 e l i e 2 t e l i t 2 i 圈圈匪圭盈匿翘 图卜2 径向永磁轴承基本结构形式图i - 3 轴向永磁轴承基本结构形式 被动磁轴承的磁场由永磁体产生，不消耗电力，因此不需励磁线圈以及供 电系统，使整个轴承系统的结构简单紧凑、体积较小，且损耗很小，但被动磁 4， 鐾盘驾蠹塞毒瓮羞 山东大学硕士学位论文 轴承的阻尼系数和刚度系数很小，且不能进行主动控制。 e a r n s h a w 3 6 1 认为：单靠永久磁体不能使一个铁磁体在所有自由度上都保持 自由，稳定的悬浮状态因为，永磁系统中没有电流的时候，静磁场的拉普拉 斯方程为v 2 = 0 ，即 罂+ 罂+ 罂：o ( 1 - 1 ) 虿+ 可+ 可。0 17 式中哟永磁系统的静磁能。为使系统处于稳定平衡状态，静磁能的二阶微分 必须大于零，即 警 。，害 。，警 。 z ， 显然，式( 卜1 ) ，( 卜2 ) 不能同时满足这表明采用被动磁轴承不可能使支 承物体获得稳定悬浮至少有一个自由度是不稳定的，因此在该自由度上必须 加主动控制，如电磁力，或者其他的控制力如液压力、气动力、摩擦力等才能 使系统达到稳定平衡 2 主动磁轴承 与被动磁轴承相比，主动磁轴承可通过主动控制在所有自由度上达到稳定 平衡f q o | $ - f 6 , z 6 , 2 7 ，而且通过主动控制可以调节磁轴承的阻尼和刚度以满足设计要 求 图1 4 主动磁轴承的差动工作系统框图 主动磁轴承的基本结构原理及其差动工作系统框图如图l 一4 来说明正常 情况，在偏置电流i o 的作用下转子悬浮于平衡位置，两边的气隙相等，均为 x o ：在外扰力作用下，转子偏离平衡位置的距离x 由位移传感器检测出，该偏 移量x 经转换电路转换为电压信号u 。，u ；与位置参考电压u ，比较，误差值 5 山东大学硕士学位论文 u 。送入调节器作幅值和相位的调节，输出量u 。经功率放大器将这一控制信号 转换为控制电流，在所谓的差动激磁方式下，两可控电磁铁对转子的电磁吸 力和正的差值为 无丹纠【掰一器】 ( 1 _ 3 ) 五为主动磁轴承差动方式工作时的回复力，使转子回复到平衡位置。 由主动磁轴承的工作原理知，该磁轴承的偏置磁场由偏置电流产生，即使 转子位于平衡位置，磁轴承也存在很大的开关功放损耗和线圈铜耗以及定子部 分和转动部分的铁耗；转子有偏移时，控制电流与偏置电流工作于差动方式， 使转子恢复到平衡位置由于转子的偏移量非常小，控制电流比偏置电流小的 多，由控制电流引起的磁轴承损耗相对于偏置电流引起的损耗很小。 主动磁轴承也可分为径向磁轴承和轴向磁轴承径向磁轴承的两种基本结 构形式如图1 - 5 所示，图1 - 5 ( a ) 所示磁轴承的结构简单，但其磁场方向沿圆周方 向交变，引起很大的铁耗，为使铁耗尽可能小，转子必须做成叠片式的图卜5 ( b ) 的布置方式使磁轴承的铁耗较小，因此可以不需要叠片式转子。 ( a ) 磁场线垂直于转子轴线( b ) 磁场线平行于转子轴线 图1 - 5 径向磁轴承的结构形式 图1 - 6 轴向磁轴承的结构形式 轴向磁轴承如图卜6 所示，由轴对称电磁铁和转子圆盘构成由于高速旋转 时会产生很高的离心应力，转予圆盘一般做成实心的，以满足机械强度的要求 但是轴向磁通的动态变化会在实心的转子圆盘中产生涡流，因此轴向磁轴承的 6 山东大掌硕士学位论文 控制设计需考虑涡流损耗。 主动磁轴承除了产生涡流损耗和铁耗外，另一主要损耗是由偏置电流引起 的线圈铜耗和功放损耗涡流损耗和铁耗可通过采取相应的措施使之相对减 小主动磁轴承的线圈越多，所需功率放大器也越多，这不但使控制系统变得 复杂，而且增大了整个系统的体积，最重要的一点是线圈铜耗和功放损耗大大 增加。可见，减小系统线圈铜耗和功放损耗的根本出路是消除偏置电流 3 混合磁轴承 为了降低功耗并同时保证磁轴承的主动控制特性，永磁偏置混合磁轴承得 到了很大的关注| 5 - $ , 2 3 2 5 , 9 4 1 1 永磁磁场替代电励磁磁场作为偏置磁场，从而消 除了偏置电流及其引起的损耗1 9 8 9 年c k s o r t o r e 等人研制了2 3 0 0 0 r p m 的 实验装置，结果表明：当转子采用普通轴承支撑时功耗为3 0 0 0 w ，在电励磁 轴承支承下功耗为5 0 0 w ，在混合磁轴承支承下功耗仅为2 0 7 w 可见采用混 合磁轴承在降低功耗方面的效果非常明显。 图1 7 为文献【2 l 】给出的几种混合磁轴承结构，这些磁轴承的结构较复杂。 甚至难以实现图1 - 7 ( c ) 所示基本结构的电磁磁路和永磁磁路在永磁体处共磁 路，这大大削弱了混合磁轴承的优越性睁】 图1 8 所给的混合磁轴承【i l 在通常的4 极电磁轴承的基础上，沿轴向放置 永磁体及供永磁磁通的轴向附加磁极。此混合磁轴承的结构简单，原理明了， 但最明显的缺点是：电磁气隙磁通密度只能抵消一半的永磁偏置气隙磁通密 度，大大降低了磁轴承的最大承载能力。 文献【5 】，【6 】也提出一种永磁偏置径向磁轴承一轴向磁轴承组合的磁轴承 如图1 - 9 所示，尽管该种磁轴承的结构复杂，但很紧凑，有利于降低电磁轴承 的体积和重量，但该混合磁轴承缺点如下：1 ) 轴向永磁偏置和径向永磁偏置共 用磁路，这必然导致两个偏置气隙磁通密度的耦合，加大了磁轴承的控制难度， 降低了控制精度：2 ) 该种结构轴向电励磁磁场垂直穿过转子叠片铁心，需要很 大的轴向电励磁磁势才能满足轴向控制要求；3 ) 难以采用如此相同的两个磁轴 承来实现5 个自由度的悬浮 综上所述，被动磁轴承的结构简单，无需主动控制，但不能在六个自由度 上稳定悬浮；主动磁轴承虽有很好的可控性，但由偏置电流引起的损耗较大： 混合磁轴承不但具有较好的可控性，而且其功耗很低但是，目前混合磁轴承 也或多或少存在一定的缺陷 山东大学硕士学位论文 混合磁轴承的研究主要集中于永磁偏置混合磁轴承，由于永磁偏置混合磁 轴承消除了电励磁偏置磁轴承的偏置电流而大大降低了损耗，同时也减少了电 磁铁功放的体积和重量，在航空、航天领域内应用时，这一点极为重要 图1 7 几种永磁，电磁混合磁轴承基本结构 图1 8 永磁偏置混合磁轴承结构示意图 8 t 1 a 东大学硕- - j ：学位论文 71 - - 轴向定子： 8 卜轴向磁澍蠢气腹； ，一转子叠片： 7 - - 径睁暾轴承定子叠片； 2 一轴l 与控制线圈： 4 - - - 径向磁轴承气隙： 6 - - - 径阿控制唆圈： 8 环形永礅体 图1 - 9 永磁偏置径向一轴向磁轴承结构示意图 1 4 本课题的主要研究内容 在阐明课题来源及研究意义的基础上，介绍了国内外磁轴承的研究现状， 综述了目前磁轴承的种类及其优缺点。为进一步降低磁悬浮轴承的损耗，本文 对转子磁体永磁偏置混合磁轴承进行了深入分析和研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 详细介绍了转子磁体永磁偏置混合磁轴承的结构及其工作原理，提出 了该磁轴承的等效磁路模型，采用叠加原理对其磁路进行分析计算，推导该磁 轴承的承载力计算表达式，并对其耦合性及电流刚度和位移刚度进行分析研 究 ( 2 ) 由于该磁轴承的永磁磁路和电励磁磁路具有相对的独立性，通过分析 其二维磁场，分别计算永磁磁场和电励磁磁场的漏磁系数。对磁轴承的三维磁 场进行分析，给出永磁磁场单独作用时、永磁磁场和电磁磁场共同作用时的气 隙磁通密度分布和力电流控制特性曲线，讨论不同情况下的气隙磁通密度分 布及磁场耦合性基于磁场分析，将混合磁轴承与不同结构和不同类型磁轴承 的损耗及力电流线形控制特性进行对比分析 ( 3 ) 定义不同工作状态下磁轴承的电磁参数及运算公式，编制了磁轴承磁 路的电磁设计计算程序提出了基于v b 调用a n s y s 与m a t l a b 进行可视化 电磁场计算的方法，详细介绍其调用过程 “) 结合磁路的电磁设计与磁场的有限元分析进行磁轴承样机的设计计 算，研制用于1 5 n m s 角动量、2 5 0 0 0 r m i n 额定转速的卫星姿控储能飞轮系统 的混合磁轴承样机，并与原电励磁磁悬浮轴承支撑的飞轮系统进行对比试验， 以验证理论分析的正确性 9 山东大学硕士掌位论文 第二章转子磁体永磁偏置混合磁轴承结构、原理 及磁路计算 本章在介绍磁路基本定律及永磁偏置磁轴承的结构原理的基础上，给出了 转子磁体永磁偏置混合磁轴承的结构，详细介绍了其工作原理，并采用叠加原 理对磁轴承等效磁路进行分析，迸一步推导了承载力计算公式，最后，讨论了 磁轴承的磁路耦合性，并分析了其电流刚度和位移刚度。 2 1 磁路基本定律及基于差动控制的永磁偏置磁轴承的结构原理 2 1 1 磁路及磁路基本定律 为了后述分析方便，介绍磁路及磁路基本定律如下： 当磁场中存在磁导率极高的材料( 如铁磁材料，又称铁磁质，它的磁导率 远远大于空气磁导率，甚至达到几千、几万倍) 时，将显著的影响并改变磁场 的分布求解这类磁场问题颇为复杂，但在工程应用上，常可作近似计算，把 磁场简化为磁路来处理磁路是构成诸如电机、变压器、电磁铁与继电器等器 件的组成部分磁路问题实际上是局限在一定路径内的磁场问题，且可以假设 如下： ( 1 ) 磁场限在磁性材料内流动，没有漏磁： ( 2 ) 在空气隙区磁通没有扩散或边缘效应： ( 3 ) 气隙磁通密度是均匀的。 。 磁场的基本方程用于给定的磁路时，在合理的近似下可以方便的求得磁 场，并可以得出磁路近似计算的定律【4 2 1 安培环路定律：沿着任何一条闭合回线l ，磁场强度h 的线积分恰好等于 该闭合回线所包围的总电流值( 代数和) ，这就是安培环路定律。用公式表示为 ( f ，h m = y f ( 2 1 ) 式中，若电流的正方向与闭合回线l 的环行方向符合右手螺旋关系时，j 取正 号，否则取负号 磁路的欧姆定律：若不计漏磁通，并认为各截面上的磁通密度为均匀、且 垂直于各截面，则磁通量将等于磁通密度乘以面积，即 1 0 山东大学硕士学位论文 o = l 口趣= b s( 2 - 2 ) 而磁场强度等于磁通密度除以磁导率，即曰= 百，于是上式可改写为 b l i = 暑z = 。l 心或，= 。r = 竺g u迟 j? 其中，r = 七为磁路的磁阻，g = 为磁路的磁导：f = m 为磁路的磁势 式中，s 为磁路截面积；，为磁路长度：n 为磁路的线圈匝数：j 为线圈电流 磁路基尔霍夫第一定律；磁路节点磁通中。的代数和恒等于零，即 嚷= o ( 2 3 ) 磁路基尔霍夫第二定律：任意闭合磁路中，各部分磁路磁压降局m 。的代数 和等于该闭合磁路磁势e 的代数和，即 蜀o ，= e ( 2 4 ) 上述磁路定律是从磁场的基本方程出发，作了许多近似( 如不计漏磁，认 为铁芯截面上各处的磁通密度均匀等) 而得出的因此，实际上只是一种估算， 这种估算对有关的工程技术问题十分必要 磁轴承的无接触支承通过磁场力实现，保证了转子的稳定悬浮，磁轴承磁 场主要由电磁铁或永磁体在磁路中产生在分析这种磁路时，对场作精确的理 论计算还不大可能通常在简化假设的基础上，采用近似的磁路分析方法，即 假设除气隙外，磁通全部流过铁心 2 1 2 永磁偏置磁轴承的结构及工作原理 单自由度永磁偏置磁轴承的结构原理如图2 1 所示，磁轴承转子在永磁体 产生的磁场吸力作用下悬浮于平衡位置由于结构的对称性，永磁体产生的永 磁磁通在转子上方气隙l l 处和下方气隙2 2 处相等若不计重力，则两气 隙处对转子的吸力相等，即五吼。假设在平衡位置时转子受一个向下的外扰力， 转子偏离平衡位置向下运动，这时转子上下气隙的问隙变化，即上间隙增大， 磁通矿减少：下间隙减小，磁通办：增大由磁场吸力与磁通的关系，可得上 下两电磁铁对转子的电磁吸力，五分别为 2 正= ! 告 ( 2 - 5 ) 1 1 山东大掌硕士掌位论文 = 为 ( 2 - 6 ) 式中，舻，：分别为永磁体产生的磁通；a 为磁极面积：u o 是空气的磁导率 由于以 兀，所以转子在回复力 一五的作用下回复到平衡位置若转子受到向上的外扰力，分析方法同上， 只需改变控制电流的方向即可使转子回复到平衡状态。 磁铁线圈 图2 1 永磁偏置磁轴承系统的结构原理图 比较永磁偏置混合磁轴承和前述主动磁轴承的工作原理知，永磁偏置混合 磁轴承的偏置磁场由永磁体产生的永磁磁场提供，而主动磁轴承的由偏置电流 1 2 山东大学硕士学位论文 产生的磁场提供。由于消除了主动磁轴承的偏置电流，大大降低了绕组铜耗和 开关功放损耗，所以永磁偏置混和磁轴承的损耗很低 2 2 转子磁体永磁偏置混合磁轴承的结构及工作原理 2 2 1 定子磁体永磁偏置磁轴承 y , z h i l i c h e v 研制的定予磁体永磁偏置混合磁轴承1 2 4 1 截面如图2 2 所示，图 卜8 所示混和磁轴承的结构与之相似，该种定子磁体混合磁轴承需要定子壳体 不导磁，转予轴导磁如果由于各种原因使定子壳体采用导磁材料，转轴采用 不导磁材料，则必须在磁轴承定子与壳体之间加防磁体，在转轴外套一导磁体， 这无疑加大了整个磁轴承的径向尺寸。因此，本课题基于整体课题的开发现状， 采用转子磁体永磁偏置混合磁轴承作为储能飞轮系统的悬浮支撑部件 图2 - 2 定子磁体永磁偏置混合磁轴承 2 2 2 转子磁体永磁偏置混合磁轴承的结构 转子磁体永磁偏置混合磁轴承的结构 3 , 4 3 1 如图2 3 所示将两个相同的四 极普通径向磁轴承的定子铁心的轭部换为不导磁材料，然后将两定子的对应磁 极通过轴向导磁铁心轭连在一起就组成了该混合磁轴承的定子：两个相同的普 通径向磁轴承的转子在内嵌永磁体轴向导磁套筒后，通过永磁体沿轴向连在一 起，组成混合磁轴承的转子，这一转子与转轴之间通过不导磁套简隔磁 1 3 山东大学硕士学位论文 i8 雌魍灿 衄皿毫卿 4州# 圆 4 一呻z 3 1 一 l 。n 目 u l u 【】产p 闵山u 硼悯u 刚肌 ( a ) 轴向截面图( b ) 端面示意图 i 一转轴：2 一隔磁套筒：3 一环形永磁体：4 一永破轴向导磁套筒；5 一转子铁心；6 一气隙；7 - - 定子 铁心避擞；8 一定子轴向导磁铁心轭；9 定子线圈；i o - - 定子极间隔磁：i i 一隔磁挡板 图2 3 转子磁体永磁偏置混合磁轴承原理结构图 2 2 3 转子磁体永磁偏置混合磁轴承的工作原理 1 ) 永磁磁场提供偏置磁场 永磁体环沿轴向充磁，一端面为n 极，另一端面为s 极，其磁路如图2 - 4 ( a ) 中虚线所示该永磁磁路的路径为：永磁体n 极左永磁轴向导磁套简一左 转子铁心一左气隙一左定子铁心磁极一定子轴向导磁铁心轭一右定子铁心磁 极一右气隙一右转子铁心一右永磁轴向导磁套筒一永磁体s 极。可见，对气隙 永磁磁场来说，磁路端由转子铁心到定子磁极，另一端由定子磁极到转子铁 心如转子在平衡位置旋转，转子铁心表面的永磁磁场大小变化但方向不变， 而定予中的永磁磁场为恒定磁场。 永磁磁场用作磁轴承的偏置磁场时，在理想情况下，被支撑转子处于平衡 位置，x 轴，y 轴的正负方向受到相同的吸力，保证转子在平衡位置稳定悬浮； 如果被支撑转子由于扰动而偏离平衡位置，则气隙小的一侧将受到更大的吸引 力。从而使转子更加偏离平衡位置。所以单靠永磁磁场的作用，不能保证转子 的稳定悬浮。 2 ) 电励磁磁场用作调节磁场 混合磁轴承定子有8 个磁极，即x 轴、y 轴各有4 个磁极，这四个磁极中 的线圈或串联或并联，所产生电励磁磁场的磁路分别如图2 - 4 ( a ) 和图2 - 4 ( b ) 所 示( 图2 - 4 ( b ) q h 只画出y 轴上的4 个磁极线圈) ，从图中可见，电励磁磁路的路 1 4 山东大学硕士学位论文 径为( 以y 轴的磁极线圈为例) ；左边的上定子磁极一定子轴向导磁铁心轭一右 边的上定子磁极一右边的上气隙一右边的上转子铁心一右边转子铁心周向轭 右边的下转子铁心一右边的下气隙一右边的下定子铁心磁极一定子轴向导 磁轭一左边的下定子铁心磁极一左边的下气隙一左边的下转子铁心一左边转 子铁心周向轭一左边的上转子铁心一左边的上气隙一左边的上定子铁心磁极。 从图2 4 中可以看出，永磁气隙磁通密度和电磁气隙磁通密度在上、下气 隙中具有不同的叠加效果：若上侧气隙中两气隙磁通密度同方向，则下侧气隙 中两气隙磁通密度反方向。改变电流的方向将使电励磁气隙磁通密度的方向随 之发生改变。如图2 - 4 c a ) 所示，转子在平衡位置时，电磁磁通妒。为0 ，转子仅 靠永磁磁场悬浮支撑；如果由于扰动，转子偏离平衡位置向下偏移x ，此时上 侧气隙将加大，从而导致永磁气隙磁通密度降低，上侧永磁吸力减小；下侧气 隙将减小，使得永磁气隙磁通密度增大，下侧永磁吸力增大若只在永磁磁场 作用下，转子更有偏离平衡位置下移的趋势。如果旌以如图2 - 4 ( a ) 所示的电励 磁磁场，使电磁气隙磁通密度和永磁气隙磁通密度在上侧气隙叠加，在下侧气 隙抵消，并使上侧气隙的合成气隙磁通密度大于下侧气隙的合成气隙磁通密 度，从而使转子受到一向上的回复力作用，可保证转子回复到平衡位置同样， 若转子偏离平衡位置向上移动一位移，可以通过改变励磁电流的方向来改变电 励磁磁场的方向，就可产生使转子回到平衡位置的回复力。 l 上凶凶 书本勖翮期中寸 h ，嗉_ 、 、 产 h 、 s $ ! ! 渊； 旷碾阿1 ( a ) 永磁磁路与电磁磁路 ( b ) y 轴中的电励磁磁路 图2 - 4 永磁磁路与电磁磁路 1 5 山东大学硕士掌位论文 2 3 混合磁轴承的磁路分析计算 2 3 1 永磁磁路计算 为分析方便，不计漏磁及铁心磁路磁阻，忽略了磁路的饱和，采用叠加原 理对其磁路进行分析图2 - 5 为转子磁体永磁偏置混合磁轴承永磁磁路的等 效磁路其中，f o 。为永磁体磁动势源的计算磁动势，对于给定的永磁体性能 和尺寸，它是一个常数，并表示为下式： ，二= 皿 ( 2 9 ) 其中，风为永磁体的矫顽力，h 。为永磁体磁化方向长度。 g 。为永磁体的内磁导，对于给定的永磁体性能和尺寸，它是一个常数，表示 为下式： g ，：毕 ( 2 1 0 ) 月“ 其中，爿。为永磁体的供磁面积，o f ，分别为真空磁导率和永磁体的相对 磁导率： n 为线圈匝数，、分别为x 、y 轴线圈中的控制电流，g ，+ 、g j 、g ，、 、g 。分别为x 轴、y 轴的正、负方向的气隙磁导假定g 为磁轴承的平衡气隙， x ，y 分别为磁轴承转子在x 轴、y 轴方向的偏移量，规定当转子向坐标轴的正 方向偏移时工，y 取为正值，当转子向坐标轴的负方向偏移时工，y 取为负值， 彳为一个定子磁极弧面的面积，则上述各气隙磁导可表示为： 在平衡位置，上述各气隙磁导相同，并表示为： g o ；型( 2 1 2 ) g 由转子磁体磁轴承永磁磁路的等效磁路及其简化磁路可得到各永磁磁通 1 6 g 丛吖一石一一叫一一 pg pg pg pg = = = = + 一 + - 积 良 函 函 山东大学硕士学位论文 为： 口m = g p ( g j + + g i _ + + 啦) ( q + + q + q + + g ，- + 2 g ，) ( 2 一1 3 ) 中m = o g 。| 婚i + + g ，+ g p + g 0 三, ”2 c h q g h ( 瓯g ：乏：q g i ：+ 6 - i - g ：； ( 2 舶) 中 + g i 一+ +，) 。 中w = 函_ g y f 。 + g ，+ g p + g y j 式中，为永磁体提供的总磁通，+ 、毋，一、o ，+ 、驴，一分别为四 个气隙处的永磁磁通。 ( a ) 永磁磁路的等效磁路( b ) 简化磁路 图2 5 磁轴承永磁磁路的等效磁路及其简化磁路 2 3 2 电励磁磁路计算 现在分析磁轴承的电励磁磁路，其等效磁路如图2 - 6 所示，其中，c 、 分别为x 轴和y 轴线圈的电励磁磁动势，叱+ 、口。分别为x 轴正、负向气 隙处的电励磁磁通，、吆分别为y 轴正、负向气隙处的电励磁磁通。 由叠加原理，可将电励磁磁场的作用看作为y 轴向电励磁磁场和x 轴向 电励