永磁偏置径向轴向磁悬浮轴承工作原理和参数设计
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2 3 z 0 x
6 7 8
向和轴向单边的气隙都为 0.5mm 由于结构的对 称性 永久磁铁产生的磁通密度在转子上下 左右 和前后的气隙处是相等的 设计时一般取 0.4T 左 右 ２．２ 径向－轴向磁轴承工作原理 图 4 是轴向磁轴承的磁路图 图中 ФPM 是永 久磁铁产生的静态偏置磁通 ФZEM 是轴向控制线 圈中电流产生的控制磁通 气隙磁通由这两部分磁 通合成 图 5 是径向磁轴承的磁路图 图中标明了 x 方向磁通的路径 ФPM 是永久磁铁产生的静态偏 置磁通 ФXEM 是 X 方向的控制磁通 用同样的方 法可以标明 Y 方向磁通的路径
１ 引言
磁悬浮轴承( 简称磁轴承) 按照磁力提供方式 可以分为主动型磁悬浮轴承 被动型磁悬浮轴承和 混合型磁悬浮轴承 永磁和励磁混合 3 种 由于 混合磁悬浮轴承用永久磁铁产生的磁场取代主动磁 悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场 具有降低 功率放大器的功耗 减少电磁铁的安匝数 缩小磁 悬浮轴承的体积 提高轴承承载能力等优点 所以 研究永磁偏置的混合磁轴承是磁悬浮轴承的一个重 要研究方向 [1~4,7] 磁轴承系统中转子要实现悬浮需 要在 5 个自由度上施加控制力 因此 典型的系统 都采用 3 个磁轴承来支承 其中 2 个径向磁轴承 每个径向磁轴承控制径向相互垂直的两个方向 另 1 个轴向推力轴承控制轴向自由度[2,3,7] 这 3 个磁 轴承在轴向占据了一定的体积 对电机的转速进一 步提高有一定的限制 因此研究结构紧凑 体积小 功耗低 是国内外磁轴承科研工作者研究的主要方 向[1~4,7] 本文研究轴向和径向自由度磁轴承做成一 个整体 见图 1~3 并且采用永磁体作为轴向− 径 向磁轴承的静态偏置磁场 这个轴承大大减少了体 积 提高转子的动态性能 从根本上降低了轴承的 成本 在磁轴承系统 磁悬浮电机 高速飞轮储能
参数设计
有
国家自然科学基金项目 (59977009,60174052)
江苏省
Project Supported byБайду номын сангаасNational Natural Science Foundation of China
万方数据
第9期
朱熀秋等 永磁偏置径向－轴向磁悬浮轴承工作原理和参数设计
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系统等需磁悬浮支承的高速运动场合具有很好的应 用前景
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1. 轴向定子 ;2.轴向控制线圈;3 轴向磁轴承气隙;4.径向磁轴承气隙 5.转子叠片 ;6.径向控制线圈 7.径向磁轴承定子;8.环型永久磁体
图 １ 永磁偏置径向－轴向磁轴承结构示意图 Fig.1 The configuration of permanent magnet biased radial-axial magnetic bearings
ABSTRACT: The configuration and producing magnetic suspension force of permanent magnet biased radial-axial magnetic bearing are introduced. The flux path is calculated by using equivalent magnetic circuit,and the math expression and some equations are reduced for maximun carrying capacity,and parameter design and calculation method are presented.In the last, a example is given ,which is simulated and calculated by using finite element analysis . The theory analysis and simulation has showed that this hybird magnetic configuration reduces overall system size,and has high efficiency.This magnetic bearing has widely application in bearingless motor, high speed flywheel energy storage system ,and so on. KEY WORDS: permanent magnet biased; magnetic bearing; equivalent flux path; parameter design; finite element analysis 摘要：介绍了永磁偏置径向 −轴向磁悬浮轴承结构示意图及 悬浮力产生的机理 承的磁路进行了计算 达式 例子 用等效磁路法对永磁和励磁混合磁轴 得出了最大承载力的条件和数学表 限元分析 中图分类号 TH133.3 文献标识码 A
径向和轴向混合磁轴承在 3 个自由度上的工作 原理是一样的 参考图 4 当轴向稳定悬浮时 磁 轴承转子在永久磁铁产生的静磁场吸力下处于悬浮 的中间位置 也称这个位置为参考位置 由于结构 的对称性 永久磁铁产生的磁通在转子右面的气隙 Z1 处和转子左面的气隙 Z2 处是相等的 此时左右 吸力相等 如果在此平衡位置时转子受到一个向右 的外扰力 转子就会偏离参考位置向右运动 造成 永久磁铁产生的左右气隙的磁通变化 假设径向在 平衡位置 即左面的气隙增大 使永磁体产生的 磁通 PMz2 减少 右面的气隙减少 使永磁体产生
给出了参数设计和计算方法 最后给出了一个设计 并用有限元进行了仿真验算 理论研究和仿真分析 效率高 在磁悬浮电机 高速飞轮储能等系统
表明 永磁和励磁径向−轴向磁轴承结构合理紧凑 占据轴 向长度小 中具有广阔的应用前景 关键词 ：永磁偏置 混合磁轴承 等效磁路
基金项目 自然科学基金项目 OIKJB47001 ５９９７７００９，６０１７４０５２ . BG2001029
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中
PMz1 增加
国
电 机
工 程
学 报
第 22 卷
的磁通
根据磁场吸力与磁通的关系可得 F z1 = Fz 2 = 式中 磁吸力 Ö2 φ z21 = PMz1 µ 0S z µ0Sz φ z22 µ0 S z =
2 Ö PMz 2
Nz 是轴向控制线圈的匝数 流过电流 iz 径向 4 个 气隙磁导分别是 Gx1 Gx2 Gy1 Gy2 Nxy 是径向控
２ 径向－轴向磁轴承结构及悬浮力产生机理
２．１ 径向－轴向磁轴承的结构 永磁偏置径向 −轴向磁轴承基本结构见图 1 由轴向定子 轴向控制线圈 径向定子 径向控制 线圈 环型永久磁铁等构成 径向和轴向定子及永 久磁铁的结构见图 2 径向和轴向控制线圈的结构 见图 3, 工作时轴向两个线圈 径向分别对置的两 个线圈串联作为相关自由度的控制线圈 定子铁芯 采用硅钢片叠压而成 永久磁铁采用稀土材料钕铁 硼制成 当径向−轴向都稳定悬浮时 转子在永久 磁铁产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置 径
朱熀秋 1, 邓智泉 2 , 袁寿其 1, 李
2
冰 2 , 严仰光 2, 王德明 1
1. 江苏大学电气信息工程学院, 江苏 镇江 212013; 南京航空航天大学航空电源部级航空科技重点实验室, 江苏 南京 210016)
THE WORKING PRINCIPLE AND PARAMETER DESIGN FOR PERMANENT MAGNET BIASED RADIAL- AXIAL DIRECTION MAGNETIC BEARING
1 2 制线圈匝数 流过电流 ix 和 iy 设 gz 是转子处于平衡位置时轴向气隙长度 gxy 是径向气隙长度 本文中取 gz =gxy=g0 x y 是转 子的径向偏移量 z 是转子的轴向偏移量 µ0 是空 气的磁导率 Sz 是轴向磁极截面积 Sxy 是径向各 磁极截面积 则得到各气隙处磁导
µ S G z1 = 0 z gz −z µ 0 S xy G x1 = g xy − x µ 0 S xy G y1 = g xy − y G z2 = G x2 = G y1 = µ0S z gz +z µ 0 S xy g xy + x µ 0 S xy g xy + y
µ0 S z
Fz1 Fz2 分别为吸力盘左 右面受到的电 Ф z1 Фz2 分别为左右气隙处产生的合成
磁通 Sz 为轴向磁极的面积 µ0 为空气的磁导率 在未产生控制磁通 Ф ZEM 之 前 由于 ФPMz2< ФPMz1 故 Fz2<Fz1 由于外扰力使转子向右运动 此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量 控制器将这一位移信号转变成控制信号 功率放大 器又将此控制信号变换成控制电流 i 这个电流流 经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通 Ф 在转子左面的 Z2 处由励磁磁通和永磁磁通的 ZEM 流向相同 与永磁磁通 PMz2 叠加 使气隙 Z2 处总 的磁通增加 即 z2= PMz2+Ф ZEM 励磁磁通Ф ZEM 在右面气隙 z2 处 由于与永磁磁通 PMz1 的流向相 反 故在气隙 Z1 处的总磁通减少为 z1= PMz1− Ф
ZEM
(4)
如果转子处于平衡位置 此时 3 个自由度的偏 移量为 0 即 x = y = z = 0, 则从式(4)可以得到 µ S G z1 = G z 2 = 0 z gz (5) µ S G x1 = G x2 = G y1 = G y 2 = G xy = 0 xy g xy 根据磁路的克希荷夫定律 ∑F=0 和 ∑φi=0 列出磁路的磁动势 磁通的平衡方程式 求解出各 支路中的磁通如下 Ö x1 = [ Fm G z − N z i z (G z1 − G z 2 ) − N xy i y (G y 2 − G y1 ) − N xyi x ( G z + 2G x 2 + G y )] /[ G g / G x1 ] Ö x2 = [ Fm G z − N z i z (G z1 − G z 2 ) − N xy i y (G y 2 − G y1 ) + N xy i x (G z + 2G x1 + G y )] /[G g / G x 2 ] Ö = [ F G − N i (G − G ) − N i (G − m z z z z1 z2 xy x x2 y1 G x1 ) − N xy i y (G z + 2G y 2 + G x )] /[G g / G y1 ] Ö y 2 = [ Fm G z − N z i z (G z1 − G z 2 ) − N xy i x (G x 2 − G x1 ) + N xyi y (G z + 2G y1 + G x )] /[ G g / G y 2 ] Ö = [ F (G + G ) + N i ( G − G ) + N i ⋅ m x y xy x x2 x1 xy y z1 (G y 2 − G y1 ) − N z i z (G x + 2G z 2 + G y )] /[ G g / G z1 ] Ö z 2 = [ Fm (G x + G y ) + N xy i x (G x2 − G x1 ) + N xy i y ⋅ (G y 2 − G y1 ) + N z i z (G x + 2G z1 + G y )] /[G g / G z 2 ] (6) 式 中 Gx=Gx1+Gx2; Gy=Gy1+Gy2; Gz=Gz1+Gz2; Gg= Gx+Gy+Gz
Φ XEM Φ PM
y
轴向线圈
x z
径向线圈
Φ PM X2
x x1
Φ PM
Φ PM Φ XEM
图 ３ 径向－轴向磁轴承线圈结构 Fig.3 The configuration of radial-axial magnetic bearings
图 ５ 径向磁轴承的磁路图 Fig.4 The map of radial magnetic circuit
径向定子
轴向定子
y z x
Φ PM z2 Φ ZEM z z1
图 ２ 径向－轴向磁轴承定子 Fig.2 The stators of radial-axial magnetic bearings
图 ４ 轴向磁轴承的磁路图 Fig.4 The map of axial magnetic circuit
第 22 卷 第 9 期 2002 年 9 月 文章编号 0258-8013 (2002) 09-0054-05
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE
Vol.22 No.9 Sep. 2002 ©2002 Chin.Soc.for Elec.Eng.
永磁偏置径向－轴向磁悬浮轴承工作原理 和参数设计
ZHU Huang-qiu1 , DENG Zhi-quan2, YUAN Shou-qi1 , Li Bing2 , YAN Yang-guang2, WANG De-ming1 (1. School of electrical and informational engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China; 2. Key Laboratory of Aeronautical Power System, Nanjing University of Aeronautics and Astronantics, Nanjing 210016, China)
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向和轴向单边的气隙都为 0.5mm 由于结构的对 称性 永久磁铁产生的磁通密度在转子上下 左右 和前后的气隙处是相等的 设计时一般取 0.4T 左 右 ２．２ 径向－轴向磁轴承工作原理 图 4 是轴向磁轴承的磁路图 图中 ФPM 是永 久磁铁产生的静态偏置磁通 ФZEM 是轴向控制线 圈中电流产生的控制磁通 气隙磁通由这两部分磁 通合成 图 5 是径向磁轴承的磁路图 图中标明了 x 方向磁通的路径 ФPM 是永久磁铁产生的静态偏 置磁通 ФXEM 是 X 方向的控制磁通 用同样的方 法可以标明 Y 方向磁通的路径
１ 引言
磁悬浮轴承( 简称磁轴承) 按照磁力提供方式 可以分为主动型磁悬浮轴承 被动型磁悬浮轴承和 混合型磁悬浮轴承 永磁和励磁混合 3 种 由于 混合磁悬浮轴承用永久磁铁产生的磁场取代主动磁 悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场 具有降低 功率放大器的功耗 减少电磁铁的安匝数 缩小磁 悬浮轴承的体积 提高轴承承载能力等优点 所以 研究永磁偏置的混合磁轴承是磁悬浮轴承的一个重 要研究方向 [1~4,7] 磁轴承系统中转子要实现悬浮需 要在 5 个自由度上施加控制力 因此 典型的系统 都采用 3 个磁轴承来支承 其中 2 个径向磁轴承 每个径向磁轴承控制径向相互垂直的两个方向 另 1 个轴向推力轴承控制轴向自由度[2,3,7] 这 3 个磁 轴承在轴向占据了一定的体积 对电机的转速进一 步提高有一定的限制 因此研究结构紧凑 体积小 功耗低 是国内外磁轴承科研工作者研究的主要方 向[1~4,7] 本文研究轴向和径向自由度磁轴承做成一 个整体 见图 1~3 并且采用永磁体作为轴向− 径 向磁轴承的静态偏置磁场 这个轴承大大减少了体 积 提高转子的动态性能 从根本上降低了轴承的 成本 在磁轴承系统 磁悬浮电机 高速飞轮储能
参数设计
有
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朱熀秋等 永磁偏置径向－轴向磁悬浮轴承工作原理和参数设计
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系统等需磁悬浮支承的高速运动场合具有很好的应 用前景
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1. 轴向定子 ;2.轴向控制线圈;3 轴向磁轴承气隙;4.径向磁轴承气隙 5.转子叠片 ;6.径向控制线圈 7.径向磁轴承定子;8.环型永久磁体
图 １ 永磁偏置径向－轴向磁轴承结构示意图 Fig.1 The configuration of permanent magnet biased radial-axial magnetic bearings
ABSTRACT: The configuration and producing magnetic suspension force of permanent magnet biased radial-axial magnetic bearing are introduced. The flux path is calculated by using equivalent magnetic circuit,and the math expression and some equations are reduced for maximun carrying capacity,and parameter design and calculation method are presented.In the last, a example is given ,which is simulated and calculated by using finite element analysis . The theory analysis and simulation has showed that this hybird magnetic configuration reduces overall system size,and has high efficiency.This magnetic bearing has widely application in bearingless motor, high speed flywheel energy storage system ,and so on. KEY WORDS: permanent magnet biased; magnetic bearing; equivalent flux path; parameter design; finite element analysis 摘要：介绍了永磁偏置径向 −轴向磁悬浮轴承结构示意图及 悬浮力产生的机理 承的磁路进行了计算 达式 例子 用等效磁路法对永磁和励磁混合磁轴 得出了最大承载力的条件和数学表 限元分析 中图分类号 TH133.3 文献标识码 A
径向和轴向混合磁轴承在 3 个自由度上的工作 原理是一样的 参考图 4 当轴向稳定悬浮时 磁 轴承转子在永久磁铁产生的静磁场吸力下处于悬浮 的中间位置 也称这个位置为参考位置 由于结构 的对称性 永久磁铁产生的磁通在转子右面的气隙 Z1 处和转子左面的气隙 Z2 处是相等的 此时左右 吸力相等 如果在此平衡位置时转子受到一个向右 的外扰力 转子就会偏离参考位置向右运动 造成 永久磁铁产生的左右气隙的磁通变化 假设径向在 平衡位置 即左面的气隙增大 使永磁体产生的 磁通 PMz2 减少 右面的气隙减少 使永磁体产生
给出了参数设计和计算方法 最后给出了一个设计 并用有限元进行了仿真验算 理论研究和仿真分析 效率高 在磁悬浮电机 高速飞轮储能等系统
表明 永磁和励磁径向−轴向磁轴承结构合理紧凑 占据轴 向长度小 中具有广阔的应用前景 关键词 ：永磁偏置 混合磁轴承 等效磁路
基金项目 自然科学基金项目 OIKJB47001 ５９９７７００９，６０１７４０５２ . BG2001029
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中
PMz1 增加
国
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工 程
学 报
第 22 卷
的磁通
根据磁场吸力与磁通的关系可得 F z1 = Fz 2 = 式中 磁吸力 Ö2 φ z21 = PMz1 µ 0S z µ0Sz φ z22 µ0 S z =
2 Ö PMz 2
Nz 是轴向控制线圈的匝数 流过电流 iz 径向 4 个 气隙磁导分别是 Gx1 Gx2 Gy1 Gy2 Nxy 是径向控
２ 径向－轴向磁轴承结构及悬浮力产生机理
２．１ 径向－轴向磁轴承的结构 永磁偏置径向 −轴向磁轴承基本结构见图 1 由轴向定子 轴向控制线圈 径向定子 径向控制 线圈 环型永久磁铁等构成 径向和轴向定子及永 久磁铁的结构见图 2 径向和轴向控制线圈的结构 见图 3, 工作时轴向两个线圈 径向分别对置的两 个线圈串联作为相关自由度的控制线圈 定子铁芯 采用硅钢片叠压而成 永久磁铁采用稀土材料钕铁 硼制成 当径向−轴向都稳定悬浮时 转子在永久 磁铁产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置 径
朱熀秋 1, 邓智泉 2 , 袁寿其 1, 李
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冰 2 , 严仰光 2, 王德明 1
1. 江苏大学电气信息工程学院, 江苏 镇江 212013; 南京航空航天大学航空电源部级航空科技重点实验室, 江苏 南京 210016)
THE WORKING PRINCIPLE AND PARAMETER DESIGN FOR PERMANENT MAGNET BIASED RADIAL- AXIAL DIRECTION MAGNETIC BEARING
1 2 制线圈匝数 流过电流 ix 和 iy 设 gz 是转子处于平衡位置时轴向气隙长度 gxy 是径向气隙长度 本文中取 gz =gxy=g0 x y 是转 子的径向偏移量 z 是转子的轴向偏移量 µ0 是空 气的磁导率 Sz 是轴向磁极截面积 Sxy 是径向各 磁极截面积 则得到各气隙处磁导
µ S G z1 = 0 z gz −z µ 0 S xy G x1 = g xy − x µ 0 S xy G y1 = g xy − y G z2 = G x2 = G y1 = µ0S z gz +z µ 0 S xy g xy + x µ 0 S xy g xy + y
µ0 S z
Fz1 Fz2 分别为吸力盘左 右面受到的电 Ф z1 Фz2 分别为左右气隙处产生的合成
磁通 Sz 为轴向磁极的面积 µ0 为空气的磁导率 在未产生控制磁通 Ф ZEM 之 前 由于 ФPMz2< ФPMz1 故 Fz2<Fz1 由于外扰力使转子向右运动 此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量 控制器将这一位移信号转变成控制信号 功率放大 器又将此控制信号变换成控制电流 i 这个电流流 经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通 Ф 在转子左面的 Z2 处由励磁磁通和永磁磁通的 ZEM 流向相同 与永磁磁通 PMz2 叠加 使气隙 Z2 处总 的磁通增加 即 z2= PMz2+Ф ZEM 励磁磁通Ф ZEM 在右面气隙 z2 处 由于与永磁磁通 PMz1 的流向相 反 故在气隙 Z1 处的总磁通减少为 z1= PMz1− Ф
ZEM
(4)
如果转子处于平衡位置 此时 3 个自由度的偏 移量为 0 即 x = y = z = 0, 则从式(4)可以得到 µ S G z1 = G z 2 = 0 z gz (5) µ S G x1 = G x2 = G y1 = G y 2 = G xy = 0 xy g xy 根据磁路的克希荷夫定律 ∑F=0 和 ∑φi=0 列出磁路的磁动势 磁通的平衡方程式 求解出各 支路中的磁通如下 Ö x1 = [ Fm G z − N z i z (G z1 − G z 2 ) − N xy i y (G y 2 − G y1 ) − N xyi x ( G z + 2G x 2 + G y )] /[ G g / G x1 ] Ö x2 = [ Fm G z − N z i z (G z1 − G z 2 ) − N xy i y (G y 2 − G y1 ) + N xy i x (G z + 2G x1 + G y )] /[G g / G x 2 ] Ö = [ F G − N i (G − G ) − N i (G − m z z z z1 z2 xy x x2 y1 G x1 ) − N xy i y (G z + 2G y 2 + G x )] /[G g / G y1 ] Ö y 2 = [ Fm G z − N z i z (G z1 − G z 2 ) − N xy i x (G x 2 − G x1 ) + N xyi y (G z + 2G y1 + G x )] /[ G g / G y 2 ] Ö = [ F (G + G ) + N i ( G − G ) + N i ⋅ m x y xy x x2 x1 xy y z1 (G y 2 − G y1 ) − N z i z (G x + 2G z 2 + G y )] /[ G g / G z1 ] Ö z 2 = [ Fm (G x + G y ) + N xy i x (G x2 − G x1 ) + N xy i y ⋅ (G y 2 − G y1 ) + N z i z (G x + 2G z1 + G y )] /[G g / G z 2 ] (6) 式 中 Gx=Gx1+Gx2; Gy=Gy1+Gy2; Gz=Gz1+Gz2; Gg= Gx+Gy+Gz
Φ XEM Φ PM
y
轴向线圈
x z
径向线圈
Φ PM X2
x x1
Φ PM
Φ PM Φ XEM
图 ３ 径向－轴向磁轴承线圈结构 Fig.3 The configuration of radial-axial magnetic bearings
图 ５ 径向磁轴承的磁路图 Fig.4 The map of radial magnetic circuit
径向定子
轴向定子
y z x
Φ PM z2 Φ ZEM z z1
图 ２ 径向－轴向磁轴承定子 Fig.2 The stators of radial-axial magnetic bearings
图 ４ 轴向磁轴承的磁路图 Fig.4 The map of axial magnetic circuit
第 22 卷 第 9 期 2002 年 9 月 文章编号 0258-8013 (2002) 09-0054-05
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE
Vol.22 No.9 Sep. 2002 ©2002 Chin.Soc.for Elec.Eng.
永磁偏置径向－轴向磁悬浮轴承工作原理 和参数设计
ZHU Huang-qiu1 , DENG Zhi-quan2, YUAN Shou-qi1 , Li Bing2 , YAN Yang-guang2, WANG De-ming1 (1. School of electrical and informational engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China; 2. Key Laboratory of Aeronautical Power System, Nanjing University of Aeronautics and Astronantics, Nanjing 210016, China)