一种新型径向混合磁轴承_谢志意

装位置传感器 ! 因而位置传感器不需再占用轴向空间 ! 进 一步减小了磁轴承轴向尺寸 ! 并使得转子位置测量点与 磁力作用点之间距离最小 ! 减小了测量位置误差 "
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径向混合磁轴承工作原理 径向混合磁轴承磁路分析 每块永磁体产生的偏置磁通从 $ 极出发分两路分别
流经永磁磁极 # 永磁磁极下气隙 # 转子 # 控制磁极下气隙 # 控制磁极及定子轭 ! 再回到 % 极 ! 如图 & 中 ’ 条带箭头实 线所示 " 每个控制磁极带一个集中式绕组产生控制磁通 ! 控制磁通只流经定子轭 # 控制磁极 # 控制磁极下气隙与转 子 ! 如图 & 中虚线所示 " 根据磁路流经磁阻最小路径原 理 ! 控制磁通不通过相对磁导率非常小的永磁磁极 ! 可避 免控制磁通与偏置磁通方向相反时对永磁体的去磁 "
图 : 模拟了该磁轴承某一工作状态 ! 径向 # 线圈同 时励磁 !反映了径向各气隙处磁通变化 " 各永磁磁极处气 隙磁感应强度仍保持一致 $ 而 # 个控制磁极处气隙磁感 应强度则各有变化 !& 向 #( 向处磁通有所加强 ! 而 ) 处 则削弱很多 ! 与图 ; 所示的控制磁通回路理论分析是一 致的 ! 从而可形成一合成磁力来克服扰动或负载使转子 回到平衡位置 "
经验借鉴
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一种新型径向混合磁轴承
谢志意 ! 江苏大学 电气信息工程学院 " 江苏 镇江 !"!#"$#
摘
要 ) 为 简 化 径向 磁 轴 承结 构 " 降 低成 本 " 提 出一 种 嵌 入式 永 磁 体产 生 偏 置磁 通 " 通 电线 圈 产 生 控 制 磁 通 的 径 向 混 合
!(+ 相削弱 " 参照单自由度磁轴承系统平衡条件 ! 只要
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"""""""""" 作者简 介 ’ 谢 志意 ( 6Zdb() ! 男 ! 硕 士 研 究 生 ! 研 究 方 向 为 磁 悬 浮 轴 承
及控制 " 收稿日期 ’;)*+,*$(*-
机械工程师
!""# 年第 ! 期
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结
论
实践证明 " 对于水压机衬套装配后内径产生的尺寸 变化 " 通过缩径计算方法确定内孔实控尺寸偏差是可行 的 "而且效果良好 $ 此计算法主要适用于衬套的材质比缸 体材质软 " 衬套的表面粗糙度 %0"*%&$*!% + 为宜 " 而且适 用于采用常温压入 $ 应用内孔缩径计算法加工水压机衬 套 " 减 少 了 衬套 的 加 工 工 序 " 提 高 了 生 产 效 率 " 降 低 了 加 工费用 " 缩短了检修工期 " 有效地避免了二次加工造成的 同轴度偏差 "创造了一定的经济效益 $
% ’& = ^?_JBKENBC ‘?BE!#HQC )%7C ;GGaX-bb5-a6= DAKB?EJ# I?AFJBKM 朱 熀 秋 !袁 寿 其 !等=永 磁 偏 置 径 向5轴 向 磁 悬 浮 轴 承 工 作 原 理 % c& = 中国电机工程学报 !;GG;C;;/Z3X :a5:Y= 和参数设计 ( 编辑 立 明)
* 编辑 黄 荻#
寸的上下偏差 " 避免了因过盈配合产生的内径尺寸变化 引起的再加工 " 而且效果很好 $ 例如 " 水压机的缸体内径为 !$%&’#(#)$ ’#*#&" ++ " 衬套外径
’#*")& 为 "$%& ,#*"!& ’#*#-" ++ " 衬 套 内 径 为 #!-# ’#*"!. ++ $ 据 此 " 采 用
内孔缩量的计算方法按公式计算后 " 确定其加工时衬套 内径的实际控制尺寸 $ 计算 )
!/+01 2$%&("!&3$%&*#&2#*#.& ++ !4 2#*#.&#$%&$!-#2#*#-5++ 上偏差 )6%2#(")&7#*#-52#*!.- ++ 下偏差 )682#*"!.,#*#-52#*!!" ++
% 参考文献& % $&
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径向悬浮力产生机理 以图 & 中 & 方 向 磁 极 来 说 明 径 向 悬 浮 力 产生 原 理 "
假设不考虑转子自重 ! 如果转子处于中心平衡位置 ! 由永 磁体偏置磁通而产生的磁吸力在空间完全对称 ! 不需要 控制磁通即可维持转子在平衡位置 " 假设转子只在 " 轴负方向有一位置偏移 ’ 时 ! 此时 可视其为一单自由度磁轴承 ! & 正方向气隙增大 ! 永磁体 产 生 的 偏 置 磁 通 !() 减 小 ! 磁 力 亦 减 小 $ 而 ( #) 方 向 气 隙减小 ! 偏置磁通 !(*#!(+ 增大 ! 磁力亦增大 " 此时通过 对 & 向绕组进行励磁 ! 控制磁通 !,) 在 & 向气隙处与偏 置 磁 通 !() 相 叠 加 ! 而 在 ( #) 方 向 均 与 偏 置 磁 通 !(*#
所示 $ 由定子 & 线圈 & 转子及永磁体构成 "定子铁芯采用硅 钢片叠压而成 " 定子上有 % 个凸出磁极 "! 个带线圈的为 控制磁极 "! 个嵌永磁体的为永磁磁极 $ ! 绕 组 固 定 在 ! 个控制磁极上可通电产生控制磁通 $ 三极空间对称式结 构可采用交流三相电来对 $ 线圈进行励磁 ’"($ 悬浮转子为 简单圆柱体 " 也采用硅钢片叠压制成 $ ! 块矩形永磁体采 用稀土材料钕铁硼制成 " 镶嵌在定子永磁磁极中以产生 偏置磁通 $ 当径向稳定悬浮时 " 转子在永磁体产生的静态 偏置磁场吸力下处于悬浮中间位置 $ 加工 $
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传感器安装
! 个永磁磁极上不带线圈绕组 " 可以充分利用其来安
故衬套内径的实际加工尺寸应为 $!-#,#*!.,#*!!" ++ $
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实例应用 在实践中 " 应用内孔缩量计算方法确定衬套内径尺
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永磁体布置 为在叠片式定子 中
永磁体 转子
嵌入永磁体 " 并保证定 子叠片可靠联接 " 在定 子永磁磁极中设计了 ! 个插槽来安装永磁体$ 插槽式结构使永磁体易 于安装 " 并保护了永磁 体免受外部的机械损 伤 " 在磁力自作用下 " 永
图! 三维模型图
线圈 定子
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径向混合磁轴承结构 径向混合磁轴承组成 径向混合磁轴承结构如图 " 所 示 " 磁 路 结构 如 图 !
磁轴 承 经 济 效 益 主 要 决 定 于 机 械 部 件 制 造 成 本 " 控 制与功放器件成本及运行成本 $ 前一项直接与磁轴承机 械结构相关 " 而后两项则直接与功率损耗有关 $ 传统直流 型径向磁轴承机械结构简单 " 但功率损耗大 % 传统永磁偏 置型径向磁轴承虽然功耗较低 "但结构又较复杂 $ 现介绍 一种新型径向磁轴承 " 它采用嵌入式永磁体产生偏置磁 通以提供静态悬浮力 " 减小功率损耗 " 缩小电磁铁体积及 绕线空间 % 采用三相逆变器对控制线圈励磁以产生控制 磁通来克服瞬态负载及扰动 " 简化控制算法 " 减小功放体 积与成本 $
"
结
语
( 6) 永磁体提供偏置静磁场 ! 控制线圈提供平衡负载 和干扰的动磁场 ! 减小了磁轴承体积与功耗 $ ( ;) 新型 径 向 混 合 磁 轴 承 只 用 一 个 三 相 逆 变 器 即 可 完全控制径向两自由度 ! 因而减小了功放体积 ! 降低了功 放成本 $ ( <) 解决了永磁体与传感器安装问题 ! 使得磁轴承结 构简单紧凑 # 安装方便 " 该磁轴承设计合理 ! 将在各类悬 浮支承领域具有广阔应用前景 "
磁体也不会轻易从定子铁芯中滑出 $ 插槽式结构可使永 磁磁极与定子成一整体 " 保证了定子的机械强度 " 简化了 定子的组装 % 也允许在转子安装好之后再插入永磁体 " 因 此转子安装与装卸时无需克服永磁体的磁力阻碍 $ 但是 " 插槽式结构在永磁磁极中形成了两个较薄侧 壁 "永磁体两极间会通过侧壁流过磁通而形成漏磁 $ 为使 这部分漏磁最小化 " 插槽两侧壁厚度要尽量小 " 使其处于 磁通饱和状态 "从而减小漏磁 $ 图 $ 仿真验证了插槽侧壁 磁饱和程度 $ 插槽侧壁漏磁引起的负载能力损失比起插 槽式结构诸多优点 " 工程上还是可以接受的 $