永磁偏置径向磁轴承在磁悬浮反作用飞轮系统中的应用

机械设计与制造第12期68M achi ner y D es i gn&M anuf act ur e2010年12月文章编号：100l一3997(2010)12—0068-03

永磁偏置径向磁轴承在磁悬浮反作用飞轮

系统中的应用

王顺杨逢瑜陈君辉王其磊娄磊

(兰州理工大学磁性物理与磁技术研究所，兰州730050)

A ppI-cat i on O f pe r m anent—m agne t bi as r adi al m a gnet i c bea r．ng i n m agnet i ca¨y

Sus D e nded r eaC t i O n f l V w heel s V s t e m

W A N G Shun，Y A N G Fen学，1l，C H EN Jun—hui，W A N G Q i—l ei，L O U L e i

(M agI l et i sm&M a期et i c R es ear ch Ins t i t ut i on，L a nz hou U ni v．0f Tech．，hnzhou730050，C hi na)

中图分类号：TH l33．3文献标识码：A

1引言

磁悬浮轴承从控制形式上一般分为主动控制型、被动稳定型

和混合型三类，且被动稳定型磁轴承又有常温悬浮和超导悬浮之

分。从控制自由度上可分为：单轴、两轴、三轴、四轴和五轴等形式。

在永磁偏置加电磁控制的混合磁轴承中，永磁体产生的磁场承担

主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节作用，可显著减小控制电

流和降低功耗。因此，本文选用一种新型永磁偏置径向磁悬浮轴承

辱彩代替传统的支承轴承，它作为一种新型的轴承形式，利用永磁

体替代纯电励磁磁轴承中的偏置电流以产生偏置磁场，具有降低

功率放大器功耗、减少电磁铁匝数、缩小轴承体积、提高轴承承载

能力瞪笋优点。可实现轴与轴承之间的无接触，消除了机械摩擦，无

需润滑系统，可超高速运转，对各种恶劣环境有很好的适应性，同

时通过对转子进行主动振动控制，能够有效地抑制转子的各种振

动。并且解决了电励磁磁路在x、Y方向耦合的问题，从而能够增

大俟型的线性工作范围及稳定裕度，提高控制性能。

2径向磁轴承结构及工作原理

2．1永磁偏置径向磁轴承结构

本文以一种径向两自由度外转子永磁偏置磁轴承为例进行说明，如图l所示。

★来稿日期：20l咖2一15

(b)磁轴承径向端面图

1．夕h导磁环z内隔磁体3鬃子铁心4．永磁体5完子铷D 6撒磁线圈7气隙8．内导磁体

图1外转子永磁偏置径向磁轴承结构图

第12期王顺等：永磁偏置径向磁轴承在磁悬浮反作用飞轮系统中的应用

2-2永磁偏置径向磁轴承工作原理径向偏移量，由此可得磁轴承各气隙处的磁酽为：如图l所示，永磁磁场用作磁轴承的偏置磁场，当转子由于扰

动而偏离平衡位置时，单靠永磁磁场的作用不能保证转子的稳定悬

浮，这时需要激磁线圈所产生的磁场进行调节，通过调节电流的大

小使转子回到平衡位置。当转子稳定悬浮时，由于结构的对称性，永久磁铁在+x方向和-x方向的两个空气间隙中产生相同的永磁磁通。根据磁场吸力与磁通的关系呵得01-二}(1)

心^

式中：p—在气隙处产生的吸力；咖，—在气隙处产生的永磁磁通；

“—真空的磁导率讲—定子磁极截面积。此时两个方向的吸力相等，转子受力平衡。

传感器检测到位移偏差量并经传感器处理电路变换为误差电压，此误差电压经控制器处理后驱动功率放大器输出，变换成控制电流i，如图2所示。

图2x方向电路连接图

3永磁偏置径向磁轴承分析

如图l(a)所示，永磁磁路分为两路：一路从永磁体N极出发，经一端内导磁体、定子铁心、气隙、转子铁心、外导磁环到另一端的转子铁心、气隙、定子铁心、内导磁体回到永磁体s极，另一路从永磁体N极出发，经内导磁体、第二气隙到另一端内导磁体回到永磁体S极。

为了简化磁路计算，假设采用轴向充磁的永磁环体提供永磁径向偏置磁通，永磁磁路和电励磁磁路的漏磁部分由两个漏磁系数进行补偿，整个有效磁路系统只考虑工作气隙的磁阻，由此得到等效磁路图，如图3所示。

(a)永磁磁路图(b)电励磁磁路图

图3等效磁路图

图中：晶广永磁体的磁势；R一磁体的磁阻；R衍酬Ⅲ一二

气隙的磁阻；g—第二气隙长度；A f—第二气隙截面积；E=腑一电励磁磁势；糊磁线圈匝数；t、沪—线圈电流；R—气

隙磁阻；下标知、茗12、娩。、知矗—转子在x轴上下方的气隙；，，¨、)，。：、y2l、拖—转子在Y轴左右的气隙；咋和以—永磁磁路

和电励磁磁路的漏磁系。

设冰子处于平衡位置时的单边气隙长度忍，，为转子的

如果转子处于平衡位置时，径向两个自由度的偏移量为0，即删，此时方程(2)变为：尺删胡删=B。。；足以。；＆=j等1(3)由于各磁极永磁磁路相互解耦闷，则由图2(a)可得：

f尺¨=(Rt，+吃t z)l I心，，R址=(％-+R笠)|IR，、，．、I吃，(B¨坞。：川k，％=(＆，嘞)I J心”7

式中：％，、％：、RⅢ、R小—每个磁极下永磁磁路的并联电阻。

因此由图2(a，b)可分别得出永磁磁路和电励磁线圈在X、Y 方向气隙处的磁通及磁密表达式：

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4永磁偏置磁轴承参数设计

4．1磁轴承吸力方程和最大承载力的设计

卜等+等。

卜嚣+等

(6)

(7)

(8)

在平衡位置附近要使承载力最大，则应该使各气隙磁通相叠加的一边磁感应强度达到最大值日。，而减少的一边磁感应强度达到最小值0。因此当满足以下条件时：

卜兰，兰F嗥，：2缉r，(10)【＆吨卯”…

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