新结构混合型轴向磁悬浮轴承原理分析与参数设计

　　混合型磁悬浮轴承结合了主动型磁悬浮轴承和被动型磁悬浮轴承的特点,采用永磁材料替代电磁线圈来产生所需的偏置磁场,电磁线圈只负责建立控制磁场,较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗,减小了产生单位承载力所需的体积和重量。以上特点使其在对体积和功耗有着严格要求的领域有着不可替代的优势,因此混合型磁悬浮轴承已成为磁悬浮轴承研究与发展的一个重要方向[1, 2]。

　　混合型轴向磁悬浮轴承虽然只能实现单自由度的悬浮,但将它应用于五自由度磁悬浮系统中,能够起到简化系统结构、提高系统可靠性、降低系统损耗的作用。例如,混合型轴向磁悬浮轴承与被动型径向磁悬浮轴承可以组成功率损耗较小的五自由度磁悬浮系统[3];混合型轴向磁悬浮轴承与无轴承电机可以组成功率密度较大的五自由度磁悬浮系统[4]。

　　现有的五自由度磁悬浮系统中,轴向自由度的控制方式除传统的主动控制方式外,还采用了永磁型被动悬浮的方式[5]以及将轴向自由度控制与径向自由度控制结合在一起进行控制的方式[6, 7],后两种方式分别存在刚度和承载力低及轴向径向耦合的问题。

　　笔者介绍了一种混合型轴向磁悬浮轴承的结构与工作原理,其在结构与磁路上与径向自由度不存在耦合关系。提出了一种基于磁通量计算的参数设计方法,可以更精确更全面地计算出磁悬浮轴承的各个参数。利用有限元分析软件对设计结果进行了电磁场仿真,并对仿真结果与设计目标之间的差别进行了分析。

　　1　混合型轴向磁悬浮轴承的结构与工作原理

　　1·1　混合型轴向磁悬浮轴承的结构

　　笔者介绍的混合型轴向磁悬浮轴承的结构如图1所示,其中定子套筒、定子圆盘、轴向磁极、导磁环、转子均为实心软磁材料,主轴为非导磁材料。电磁线圈放置于定子套筒内部。永磁环嵌于轴向磁极与导磁环之间。主气隙位于轴向磁极与转子之间,副气隙位于导磁环与转子之间。主气隙中的磁场包括偏置磁场和控制磁场,副气隙中仅存在偏置磁场。

　　1·2　混合型轴向磁悬浮轴承的工作原理

　　两个径向充磁的环形永磁体(外N极内S极)通过轴向磁极、主气隙、转子、副气隙和导磁环形成闭合磁路,在磁悬浮轴承中建立偏置磁场。偏置磁场的分布如图2所示。

　　电磁线圈通入电流后,通过定子套筒、定子圆盘、轴向磁极、主气隙和转子形成闭合磁路,在磁悬浮轴承中建立控制磁场,通入电流的方向及与之相对应的控制磁场的分布如图3所示。

　　由上面偏置磁场与控制磁场方向和分布可知,在主气隙的上气隙中,偏置磁场和控制磁场方向一致,磁场增强;在主气隙的下气隙中,偏置磁场和控制磁场的方向相反,磁场减弱,则转子受到的合力向上,同理,若电磁线圈中通入的电流方向与图中所示相反,则转子受到的合力向下。