基于磁通量计算的混合型轴向–径向磁悬浮轴承参数设计

　　0 引言

　　混合型磁悬浮轴承结合了主动型磁悬浮轴承与被动型磁悬浮轴承的特点，利用永磁材料代替电磁线圈产生静态偏置磁场，通电的电磁线圈只产生动态控制磁场，较大程度地降低了磁悬浮轴承的功率损耗，使其在飞轮储能、风力发电、航空航天等对功率损耗有较高要求的领域有不可替代的优势，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[1-9]。由于混合型磁悬浮轴承内部既存在永磁磁场，又存在电磁磁场，结构较其它类型磁悬浮轴承复杂，且成形后偏置磁场无法调整，因此参数设计方法的研究和改进成为混合型磁悬浮轴承研究的重点和难点之一。

　　McMullen 等人在 2000 年提出一种混合型轴向–径向磁悬浮轴承[10]，集轴向磁悬浮轴承与径向磁悬浮轴承于一体，具有减小磁悬浮轴承系统体积、重量及功率损耗的优点。Calnetix 公司已经将其应用于起动发电、飞轮储能及超高速电机等领域[11-14]。国内多家科研院所也在其工作原理、参数设计及控制策略等方面开展了研究[15-17]，取得了一定的成果，但在参数设计方法及实验装置等方面的研究与国外仍有较大差距。

　　由于该种磁悬浮轴承结构及内部磁场分布复杂，涉及的结构参数多，设计难度大，若采用简单的等效磁路法来进行参数设计，需经多次迭代与修正，才能得到与设计目标较吻合的设计结果，设计效率及精度都较低[18-20]。本文在对该类型磁悬浮轴承内部磁场分布及结构参数几何关系分析的基础上提出一种基于磁通量计算的参数设计方法，即首先计算出要达到设计承载力所需的偏置磁场与控制磁场的磁通量，在此基础上建立起软磁材料内部磁场磁通密度与软磁材料结构参数之间的函数关系，从而得出使软磁材料内部磁场不超过其磁化曲线线性区间的结构参数值。

　　1 混合型轴向–径向磁悬浮轴承的结构与工作原理

　　1.1 基本结构

　　混合型轴向–径向磁悬浮轴承的结构如图 1 所示。其中，定子套筒、转子铁心、定子圆盘、轴向磁极均由实心软磁材料制成，定子磁轭、径向磁极由硅钢片叠压而成。4 个径向气隙位于径向磁极与转子铁心之间，径向气隙中存在偏置磁场与径向控制磁场;2 个轴向气隙位于轴向磁极与转子铁心之间，轴向气隙中存在偏置磁场与轴向控制磁场。永磁环由钕铁硼制成，轴向控制绕组与径向控制绕组由漆包线绕制而成。

　　1.2 工作原理

　　径向充磁的永磁环(外 N 极、内 S 极)通过定子套筒、定子圆盘、轴向磁极、轴向气隙、转子铁心、径向气隙、径向磁极及定子磁轭形成闭合磁路，在磁悬浮轴承中建立偏置磁场，偏置磁场的方向与分布如图 2(a)所示。由于结构对称，当转子铁心位于中心位置且控制电流为零时，4 个径向气隙与 2 个轴向气隙中的偏置磁场磁通密度分别相等，转子铁心受到的悬浮力为零。