永磁磁力轴承的设计计算与分析

1、iISSN】OOO-3762 轴承 2008 年9 期CN41 - 1148/TH Bearing 2008 , No. 9永磁磁力轴承的设计计算与分析王洪群，虞培清，章志耿,社佐寅（浙江长斌城速机有哽公司，新江湛州325028）摘姜:分析了永磁磯力轴承的结构及其性能特点，通过中心力孔、内外磯间隙耳、刚性力尺、支承矩E尊参数表 达逼力轴承设计的关键规律，获得了忧化的设计方法和相关试验数据，可柞为永磁磁力軸承的设计依据。 关词:懸力轴承;结构设计;刚度;永磁材料中图分类号:TH133.33文献标志码:B文章编号：1000 - 3762（2006）09-0008-05Design Calculat

2、ion and Analysis of Permanent Magnetic BearingWANG Hong - qun, YU Pei - qing, ZHANG Zhi -卵ng, DU Zuo - yin(Zhejiang Gieat Wall Reducer Co. t Ltd. , W«uwu 32502B, China)Abstract: The jtructure and performance of permanent magnetic bearings is analyfed. The key discipline is described throu曲 cent

3、ric force Fc, magnetic gap Lt r rigidity force Ft and supporting mcunefit E. Optimized design metiiod and useful experimental data are obtained r Permanent magnetic bearing can be designed by means of these+Key words： magnetic bearing； structure stifiiness; penaanent magnetic materialii磁力轴承是一种新型高性能磁

4、悬浮轴承具 有无磨损、高转速、长寿命和低能耗等优点，但其 本身的承载力和刚度不如传统轴承力。谶力轴承 可分为有源磁力轴承和无源磁力轴承去如。有源 磁力轴承可通过电子控制系统控制轴的位置，调 节轴承的阻尼和刚度，使转子具有良好的动态稳 定性,但有体积庞大、需求电源、结构复杂和计算 烦琐等弊端。目前，作为无源磁力轴承主要组成部分的永 磁材料的磁性能比以往有了大幅度提高*被称为 “永磁之王"的稀土永磁材料钱铁硼可提供的磁场 对磁力轴承的承载力和刚度提升发挥了重要作 用，但目前对无源磁力轴承的研究还很欠缺，有些 只是对永磁轴承的结构和试验数据进行了探 讨,有一些研究采用有限元法或等效磁核理

5、论对永磁轴承径向力进行数值计算和试验分 析，过程复杂烦琐结果不很理想，也不能给出简 明实用的设计计算方法。收積日期：2008-0】23；修回日期：2008 - 06-10作者简介:王洪群（I960 -），男，高级工程师，主要从事磁 应用技术及葛封技术° E - mail: aaar aaar. com. cna搅拌设备的辅助支承轴承和磯力传动底搅拌 装置的搅拌器支承轴承，更突出地要求其具有良 好的耐腐烛能力和无磨损、无污染轻性，而轴的径 向位移只要在设计要求的范围内即可，这时无源 磁力轴承即永磁磁力轴承显示了其特有的优点， 如果设计合理，便可胜任工作。因此有必要分析 研究永磁磁力轴承

6、的恃性规律，从而便于开发设 计永磁磁力轴承产品Q1 永磁磁力轴承的设计思摆磁力轴承的结构设计包括整体结构设计和永 磁体结构设计两部分，根据使用条件”要求磁力轴 承限制轴在其垂直平面上的径向自由度还需准 确计算和设计磁力轴承内轴的径向位移和径向承 载力之间的关系，研究过程不考虑重力的影响*对 同一转动轴，磁力轴承可单独使用，成对使用或与 传统轴承配合使用。除无机械接触、无机械磨损、无需任何润滑剂 和寿命长这些磁力轴承的共同特点外，还要尽可 能使磁力轴承结构简单，不需要电源并可做防腐 保护,可在流体介质中安全使用。i维普http:/www.cqvip.CQm王洪群等:永磁磁力釉承的设计计算与分析內

7、廣上与外璐内弧中心点甜極睛应的全郵磁槻均处 于排斥腿囲的清况圏2是犠力轴承内磁上与外磁内弧中心点磁 极对应的全部磁极均处于排斥范围的情况，这时：在永啟休结构参数确定的前提下，求导内外磁 间療E訐中心力氏、刚性力西以及支承矩E等磁 力轴承各性能参数并分折它们之间的关系和作用o用单侧磁休计算出来的气隙磁感应强度作为3磁力轴承特性分析2永磁依结构参数的确定得结构理想磁何晾为厂厲严&(找-1)(4)实际设计时不必考虑全部内醯对外磁中点都 为排斥的间隙，因为这时磁体相距太远，中心排斥 为也很小，实际设计时需同时兼顾磁力作用和设 计制造工艺性要求，内外磁间隙取以上两种情况 之间即可。有了永磁休弧长

8、后，磁体厚度匚 取(07 - 1想5)4磁体的轴向离度按合理工作点计算， 对于釵铁硼或彫钻合金单位磁导在L1附近较合 理&Bh =Jt2 -cos 区域理想倉间隙为S I内外琏同療耳务折示盘圉永磁体结构参数的确定需注意以下几点：(1) 为了得到均衡的排斥力作用，设计磁力轴 承时，互相作屈的内磁和外磁表面为同一极性，把 轴向摆放的磁休排数称为扱数，为了减少转矩和 转速的脉动，应尽可能选啓较多的极数,多磁极有 利于周向性能宏观一致性。(2) 永殺体之间的摆放尽可箭不影响内外磁 有效的排斥力，磁体弧茯不能大于一定值并且为 了减少近邻磁极在内外磁间隙较小时的干扰作 用周向排列应留有距离。(3)

9、 为了提高永磁体的磁性能有效率,确定磁 体厚度和轴向长度时要考虑满足磁体工作点要 求。(4) 从安装方便和工艺可行性考虑,每亍磁体 的周围不能布满同极磁林口本文研究磁力轴承设计涉及的几个主要参数 有：(1)内外磁间隙耳，即外磁内半径与内磁外半 径的差值匚(2)中心力尺，即轴承一侧内、外磁之 间的相互排斥力;(3)刚性力旳，即轴偏移距离为 1 mm时轴承的磁向心平衡力？(4)支承矩£即内 外厳间隙兀与中心力此的乘积。本节重点讨论 内外倉间隙耳以确定匿结构参数。如图1所示(内圆是内磁外弧所在圆,外圆是 外磁内弧所在圆人抿据内外磁间隙的设计需 要确定磁休弧长、磁休厚度和磁体轴向髙度等磁 结

10、构参数。设内磁内半径为内磁外半径为 尽，外磁内半径为焉，外磁外半径为&，内外磁体 间腺4 =R3 -R空磁体圆弧夹角为永磁体弧长 L, = Rao按照磁学规律，以外磁内弧的中点做宜 角的顶点，在外磁内弧所在圆上做内直瀚兰角形 MEG两个直角边肋线和线所包围的同极磁 律均与外磁内弧中点磁极相斥，由图1可得h = /i2sin 耳£»R3 = cos=尽佔in号+ cos y)=Rq +(sin * + cos -y- - 1)h-R2(sin 号 + ©OS 号维普http:/www.cqvip.CQm10(轴承2008.血9维普http:/www.cqvi

11、p.CQm维普http:/www.cqvip.CQm磯力计算场,两块磁体位置为平行排斥时的相互 作用力表达式为F = lxKfB2S(5)式中为单侧磁体在气隙产生磁场的磁感应强 度TS为微作用面积曲。把磁力轴承按图示方向上下分开考虑(图1 或图2的线上下分开)，内啟受到来自上、下外 磁的排斥力保持乎衡根据(门式对懸力轴承内、 外磁作用力分析计算时，首先用下面的微分算式 表达微小面积在竖向的排斥力dF =1.6 x 10iB1eodS式中:i为磁休轴向总长;0为微小面积法向与竖 向的夹角。当夹角从0180&做积分计算时，便得 到单侧的合力为维普http:/www.cqvip.CQm维普h

12、ttp:/www.cqvip.CQm23.6 x 10毎曙血8翠犖=32 x 10第為护(6)其中维普http:/www.cqvip.CQm设A为平衡力与中心力的比值侧2血 1 -4>2 其中审-x/LtB - arc tanarc tan打 -腮泾+氏(化式中为内外磁间隙磁感应强度徂为磁体的剩 磁,口耳为瓦块单块磁体的轴向高度,尬；瓦为磁 休近气龈侧弧长m江辽为磁体远离气廨侧弧长， 上M 0上式较为烦琐，为方便研究磁力轴承的一些 规律,用永磁材料的剩磁码取代间隙场是合理可 行的,在传动密封领域中磁传动得到了广泛的应 用，在卄算扭矩时，周向力也是源于磁体的正面 相互作用力,最大扭矩和最大

13、正面作用力歴以上 计算的分力存在一定的比例关系,为此可用抚矩 求导公式规律研究轴承的受力情况、在磁传动设 计理论中最大扭矩7屮计算公式为式中:&为常数项,旺=0,98x103；/4为磁作用面 积讯为作用半径。化去力臂尺可得Fz的求导 公式为将乂二2讯足代人得同样取单侧作用勇匚+枫制(S)(8 )式是根据磁传动公式反推的周向力，由于 磁力轴承的分力计算和磁传动的周向力计算并不 相同，在此引人新的比例因子K来修正这个改变， 并把常数项隐含在其中，磁力轴承一侧内.外磁排 斥力可以表示为FjK碍細；(9)+耳)J(4£m十+丄:+比即沟磁力轴承中心力，磁力轴承工作时中心力并 不是直接

14、柞用的，磁力轴承正常工作时的合力为 零。当轴偏离中心时，由于内、外啟在圆周各处间隙发生变化会出现促使轴回归中心的平衡力t轴 的偏移越大，所受到的乎衡力就越大*当轴偏离中 心距离为工时，内、外磁靠近的一侧磁力妁为兔=K地5宀Lt x内、外磁远离的一侧磁力约为% =颐Z占平衡力为*F,=-= KbR.LLtx %+玄(10) 对于给定结构或设计，中心力是固定的，但平 衡力随轴偏移加丈，上式中当偏移«x = l时的平 衡力码即是磁力轴承的刚性力，反应磁力轴承刚 性好坏。(11)(计算表明，当A=1时,平衡力E等于中心力比冷二6 414*也就是偏移距离是内外磁间廨的 0*414 倍。通过(9

15、)式发现，对于给定设计,中心力Fc与内外磁间隙岂的乘积E的单位和扭矩单位一样,维普http:/www.cqvip.CQm维普http:/www.cqvip.CQm 11 -王洪群等:永磁磁力轴承的设计计算与分析维普http:/www.cqvip.CQm维普http:/www.cqvip.CQm33班力轴承试監叢M示鳶图轴向蛰)内甜分布0%由沟卜雄分布也有力与力臂以及力矩的对应关系，可反应磁力 轴承的支承能力,称其为轴承的支承矩F几分析表明，中心力尺、内外磁间隙珀、刚性力 科、支承矩恳是磁力轴承设计的几个重要因素。 上述计算过程中磯力与相关参量的作用关系同之 前研究邓没有区别本文重点是在永犠休结

16、构参 数确定时充分考虑了提高永嗷体有效率和制作工 艺，在磁力参数计算求导过程中结合和債鉴了比 较成熟的磁传动设计理论*将V) -(12)式结合起 来分析计算磁力轴承性離特点非常直接和方便, 对磁力轴承的设计和调整很有价值。4试验及分析磁路设计对使用效果的影响很大，经磁传动 理论验证*磯路设计存在一个垠隹状况也就是使 用效果的扱值并且当设计合理使得使用效果接 近扱值时，才能获得准确有效的廿算方法口下面 通过试验确认本文设计计算的合理性口试验采用陵铁硼磁休，牌号为35SH.R,= 14+ 1 mm,& = 19, 1 mm,J?3 = 25 mmt= 32 mm* 磁体轴向高度1=20,磁

17、体圈数Z=8t磁体轴 向排数(极数)N = 16O试验装置比及测试方法如图3所示口将磁力 轴承内磁总成用定位在车床罐转中心，另制作结 构装置定位杠抒沖C的支点6对杠杆端C 施加力P产生位移仞*可在杠杆另一端产生位移 AB以及作用于外戳总成W的轴承平衡力。这种 测试设计可放大位移距离和减小施加的力以便于 操作口=R2(罷-1) = 19> 1 X (Q- 1) =7. 9 nun 雄间隙Lt=R3-R3 =5,9mm,在两者之间，可 见取值合理。(2)显然，内懸体厚度J?a-/£, =5 mm以及外 磁体厚度出-尽二7砂与内外瓒周隙切的比值 在0. 7 “山5之间，亦满足设计技术

18、要求。(3 )根据磁学理论,所用磁体的工作点草位磯 导为%叫卜虽催煤"J% ；20 *3 点0： + 少=L * 式中心为内外磁平均厚度冲m込 为内外賦平 均弧长 tLt=Ra=睨L x = 9 mitto 因为 内、外匿保持相同的扱数，引起内磁工作点高于 外磁工作点，为了减小此影响，取外磁厚度略大 于内磁厚度然后取内外磯乎均弧长和平均厚度 计箕单位磁导即可，上述计算结果符合设甘技术 要求"当内外磁间隙为5.9 mm时为1. 16 T,由 (7)式计算得庁内=0. 268 0 TtB=0. 290 8 =0. 279 4 To为了减少试验干扰，使径向力测量准确，在轴 向也采

19、用磁悬浮设计，选择同样品种牌号啟体，使 其厚度和工作点满足设计技术要求”端部磁体规 格满足安装后的整体尺寸要求,分别为郴 mm xmm x 5 mm 和 拥8 mm x 98 mm x 6 mm,成 对用于轴承两端。磁体摆放根据设计技术要求呈 现機开分布，如图4所示。维普http:/www.cqvip.CQm维普http:/www.cqvip.CQm4-1设计合理性分析(1)由上文可知，区域理想磴间隙= A； ( sin y + era y - 1)360°360° 小=19. 1 (sin 1jg + cos - - 1) =3.4 mm16x216 x2结构理想磁间隙为

20、ffi4穰力轴承分布展开示童图4.2磁休受力分析由£9)式可得中心力Ft =1210/?/2= 12x10 x0, 16x0.019 1 x0- 279 42= 382 N刚性力5 9F,=入兀/ x382 = 133 N1 - f丄F支承矩£=Fe£B=3S2x5. 9xlO'J=2 254N - m在支承矩E定的悄况下，磁间隙久取值的 大小各有利弊，假设轴的最大可能偏移量为g = Q-2,内、外磁表面各留有1创作为偏移禁区 (即磁体保护层或摩擦危险区)则最大偏移量=5.9-2 =X9 mm，最大偏移平衡力为3 92 x Fu = AFt =冷一x382

21、-897 N1 _ fi-iV<9若取较小的磁间隙时*如内外磁间隙减小到 3. 3 mm时，蛊大偏移現也变成1. 3 mm,中心力从 原来的382 N升高为2254F；=E/Le=683 N刚性力从原来的133 N升高为2 xF； = AF；字一x683 =456 N1 丄尸最大偏移平衡力从原来的S97 N降低到可见，减少内外磁间隙可显著地提高磁力轴 承的刚性。如图5所示，当磁力轴承受力使内磁圆倔离 中心时只有竖向中心最大偏移与(10)式和(11) 式中的偏移凰作用相等，而中心两侧的偏移量对 磁气隙的影响逐渐减少,到两端时偏移为零，取平 均懾移为最大偏移的一半，按(式计算出平衡團5楮力輔承内磁耀移示龛闺理论平衡力与实测的试验平衛力比校的情况。因为相同偏移量在偏移较大的区间引起的平 衡力改变大些，所以当偏移时内、外磁远离的一侧 作用力降低幅度要大于内、外磁靠近的一侧作用力 增加的幅度，导致试验平衡力略低于理论平衡力。宏1试验样品不同偏移量对应的理论平衡力和试验平衡力中心0.5L01.5X015理论平霸力/N3S67J041479&试验平衡力A31昭971361825结束语磁力轴承结构优化的前提下，用中心力气、内 外磁间隙殳、刚性力旳、支承矩E等重要参数描 述磁力轴承特性规律十分方便，由此可指导磁力 轴承设计，