永磁偏置的混合磁悬浮轴承的研究

　　磁悬浮轴承按照磁力的提供方式,可分为有源磁悬浮轴承(电磁悬浮轴承),无源磁悬浮轴承(永磁悬浮轴承)和混合磁悬浮轴承(永磁和电磁混合的磁悬浮轴承)。由于混合磁悬浮轴承用永久磁铁产生的磁场取代电磁铁的静态偏置磁场,这不仅可以显著降低功率放大器的功耗,而且可以使电磁铁的安匝数减小一半,缩小磁悬浮轴承的体积,提高承载能力等,因此,有必要对这种磁悬浮轴承进行研究。

　　1　混合磁悬浮轴承的悬浮机理

　　1.1　混合磁悬浮轴承的工作原理

　　永磁偏置的混合磁悬浮轴承的结构原理见图1。转子在永久磁铁产生的静磁场吸力作用下处于悬浮的平衡位置(中间位置),这个位置也称为参考位置。由于结构的对称性,永久磁铁产生的永磁磁通在转子上方气隙1—1处和转子下方气隙2—2处是相等的。此时若不计重力,则两气隙处对转子的吸力相等,即F1=F2。假设在参考位置上转子受到一个向下的外扰,转子就会偏离其参数位置向下运动,由于转子上下气隙的间隙变化,使得其磁通变化,即上间隙增大,磁通y1减少;下间隙减小,磁通y2增大。由磁场吸力与磁通的关系可得转子上下气隙的吸力分别为

　　由于y1<y2,故F1 转子偏离其参考位置的位移,控制器将这一位移信号变换成控制信号,功率放大器又将该控制信号变换成控制电流i,该电流流经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通d,d在转子上方气隙1—1处与y1叠加时,由于永磁磁通与电磁磁通流向相同,故使气隙1—1处的总磁通增加,由原来的y1变为y1+d;磁通d在转子下方气隙2—2处与y2叠加时,由于永磁磁通与电磁磁通流向相反,故使气隙2—2处的总磁通减少,由原来的y2变为y2-d。由磁场吸力与磁通的关系可得

　　由式(3)、式(4)可知,要F1>F2使转子重新返回到原来平衡位置的条件为

　　如转子受到一个向上的扰动并向上运动,可得出相反的结论。故不论转子受到向上或向下的扰动,图1中的转子始终能处于稳定的平衡状态。

　　1.2　混合磁悬浮轴承的吸力方程

　　在只考虑均匀气隙磁通,不考虑铁芯磁阻、漏磁及涡流损耗等情况下,设转子受到向下的扰动,则根据前述混合磁悬浮轴承的工作原理,转子上下单边磁极气隙处磁感应强度为

　　式中,Fm是永磁体内部磁动势,其值与永磁材料的去磁曲线有关;g0是磁极工作气隙的半径间隙值;x是转子位移;Ni是电磁铁所需的安匝数。由式(6)可知,气隙处的磁感应强度是转子位移x和控制电流i的函数,显然只有在平衡位置的x= 0和i= 0时,上、下气隙的磁感应强度才相等。由磁力公式得转子所受的磁场合力