CN111089116B - 悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，该方法以悬浮力对称六极混合磁轴承永磁体在定子悬浮齿上形成磁极性的特殊性为出发点，以x、y方向最大悬浮力、饱和磁密为约束条件进行磁轴承设计，与现有六极磁轴承的设计，以+x方向达到饱和磁感应强度，‑x方向磁感应强度为零来设计+x方向最大径向悬浮力的方法相比，该方法可以使得+x和+y方向最大磁悬浮力一样，实现六极磁轴承径向悬浮力完全对称设计，根据+x和+y方向最大悬浮力相等得到磁轴承的基本参数。

Description

悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法

技术领域

本发明涉及混合磁悬浮轴承的设计方法，特指一种悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，其设计思想可作为同类型其它结构混合磁轴承的设计。

背景技术

本发明基于一种六极混合磁轴承，并设计其X方向与Y方向的悬浮力对称，其结构如图1所示，径向磁通如图2所示。该磁轴承包括定子和位于定子内圈的转子。定子是由从左到右依次排列的左定子铁心、左轴向磁化永磁环、中定子铁心、右轴向磁化永磁环、右定子铁心组成的整体。左、中、右定子铁心分别沿内圆周均匀分布等宽的一对悬浮齿，分别记为悬浮齿X、悬浮齿Y、悬浮齿Z、悬浮齿V、悬浮齿W、悬浮齿U，悬浮齿X、Y、V、W均向相向方向弯曲。转子包括圆柱形转子铁心与转轴，悬浮齿X、Y、Z、V、W、U靠近转子铁心一端面与转子铁心圆周面弧度匹配且与转子铁心轴向宽度相同、径向共面，悬浮齿Z位于+x轴，悬浮齿X、Y、Z、V、W、U在圆周上互差60度，且悬浮齿X、Y、Z、U、V、W与转子铁心间气隙长度相等。六个悬浮齿X、Y、Z、U、V、W上均绕制相同匝数的集中式径向控制绕组，分别记为控制绕组一至控制绕组六。相对的两个悬浮齿上的控制绕组串联。左、右定子铁心的悬浮齿X、Y和V、W的偏置磁通与中定子铁心悬浮齿Z、U的偏置磁通方向相反。

对于磁轴承来说，其饱和磁感应强度和磁极面积共同决定了磁轴承的承载力。现有六极磁轴承的设计，以+x方向达到饱和磁感应强度，-x方向磁感应强度为零来设计+x方向最大径向悬浮力，由于六极磁轴承的结构特点，该方法导致+x和+y方向最大悬浮力不等，这种不对称性造成在六极混合磁轴承在一些特定场合无法使用。

发明内容

发明目的：本发明为了解决传统六极磁轴承设计方法导致的+x和+y方向最大悬浮力不等的问题，提出了一种悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，+x和+y方向最大悬浮力相等，实现六极磁轴承径向悬浮力完全对称设计。

技术方案：本发明通过以下技术方案实现：

一种悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，以悬浮力对称六极混合磁轴承永磁体在定子悬浮齿上形成磁极性的特殊性为出发点，其具体步骤如下：

步骤1：计算+x方向的最大磁悬浮力；

S1.1根据所选铁磁材料，确定+x方向的悬浮齿Z下的径向气隙饱和磁感应强度为B_s，设悬浮齿X、Y、V、W下的径向气隙偏置磁感应强度为B_p，确定悬浮齿Z、U上的径向控制绕组产生的径向控制磁感应强度为B_ka；

S1.2根据交流磁轴承产生+x方向最大悬浮力时三相电流的关系，确定悬浮齿X、Y上的径向控制绕组和悬浮齿V、W上的径向控制绕组产生的径向控制磁感应强度为B_kb和B_kc；

S1.3确定六个悬浮齿X、Y、Z、U、V、W下径向气隙的合成磁感应强度为B_x1、B_y1、B_z1、B_u1、B_v1、B_w1；

S1.4设定悬浮齿X、Y、Z、U、V、W径向磁极面积S_r，以及6个悬浮齿X、Y、Z、U、V、W所对应的角度关系，确定出+x方向的最大磁悬浮力F_xmax的表达式；

步骤2：计算+y方向的最大磁悬浮力；

S2.1根据交流磁轴承产生+y方向最大悬浮力时三相电流的关系，确定悬浮齿X、Y上径向控制绕组和悬浮齿V、W上的径向控制绕组产生的径向控制磁感应强度均为B_y；

S2.2根据悬浮齿X、Y、V、W下的径向气隙偏置磁感应强度为B_p和径向控制磁感应强度均为B_y，确定悬浮齿X、Y、V、W下径向气隙的合成磁感应强度为B_x2、B_y2、B_v2、B_w2；

S2.3根据悬浮齿X、Y、V、W径向磁极面积S_r，以及4个悬浮齿X、Y、V、W所对应的角度关系，确定出+y方向的最大磁悬浮力F_ymax的表达式；

步骤3：对F_xmax＝F_ymax的方程求解，计算出悬浮齿X、Y、V、W下的径向气隙偏置磁感应强度为B_p；

步骤4：由式

计算出悬浮齿X、Y、Z、U、V、W径向磁极面积S_r。

进一步地，所述B_ka、B_kb、B_kc与B_s、B_p的关系为：

B_ka＝B_s-2B_p；

进一步地，所述S1.4以及S2.3中悬浮齿X、Y、Z、U、V、W所对应的角度关系为：在圆周上互差60度。

进一步地，所述+x方向的最大磁悬浮力F_xmax的表达式为：

其中，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m。

进一步地，所述+y方向的最大磁悬浮力F_ymax的表达式为：

有益效果：

本发明相比于传统的六极混合磁轴承导致的+x和+y方向最大悬浮力不等，通过设计饱和磁感应强度和磁极面积，使+x和+y方向最大悬浮力相等，实现六极磁轴承径向悬浮力完全对称设计。

附图说明

图1为悬浮力对称六极混合磁轴承结构图；

图2为悬浮力对称六极混合磁轴承径向磁通图。

1-左定子铁心，2-左轴向磁化永磁环，3-中定子铁心，4-右轴向磁化永磁环，5-右定子铁心，6-控制绕组一，7-转子铁心，8-转轴，9-控制绕组二，10-控制绕组三，11-控制绕组四，12-控制绕组五，13-控制绕组六，14-左轴向磁化永磁环在悬浮齿X、Y下径向气隙产生的偏置磁通B_p，15-右轴向磁化永磁环在悬浮齿V、W下径向气隙产生的偏置磁通B_p，16-左定子铁心1上的控制磁通B_kb。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体介绍。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明涉及混合磁悬浮轴承的设计方法，特指一种悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，其设计思想可作为同类型其它结构混合磁轴承的设计，并且根据磁轴承一般设计方法，对悬浮力对称六极混合磁轴承做以下假设：只考虑工作气隙磁阻，忽略左、中、右定子铁心和转子铁心的磁阻，忽略漏磁、涡流效应。

本发明基于如下结构进行设计，并设计其X方向与Y方向的悬浮力对称，其结构如图1所示，径向磁通如图2所示。该磁轴承包括定子和位于定子内圈的转子。定子是由从左到右依次排列的左定子铁心1、左轴向磁化永磁环2、中定子铁心3、右轴向磁化永磁环4、右定子铁心5组成的整体。左、中、右定子铁心分别沿内圆周均匀分布等宽的一对悬浮齿，分别记为悬浮齿X、悬浮齿Y、悬浮齿Z、悬浮齿V、悬浮齿W、悬浮齿U，悬浮齿X、Y、V、W均向相向方向弯曲。转子包括圆柱形转子铁心7与转轴8，悬浮齿X、Y、Z、V、W、U靠近转子铁心7一端面与转子铁心7圆周面弧度匹配且与转子铁心7轴向宽度相同、径向共面，悬浮齿Z位于+x轴，悬浮齿X、Y、Z、V、W、U在圆周上互差60度，且悬浮齿X、Y、Z、U、V、W与转子铁心7间形成的气隙长度相等。六个悬浮齿X、Y、Z、U、V、W上均绕制相同匝数的集中式径向控制绕组，分别记为控制绕组一至控制绕组六，即悬浮齿X上绕制的控制绕组为控制绕组一6，悬浮齿Y上绕制控制绕组六13，悬浮齿Z上绕制控制绕组四11，悬浮齿U上绕制控制绕组三10，悬浮齿V上绕制控制绕组二9，悬浮齿W上绕制控制绕组五12。相对的两个悬浮齿上的控制绕组串联，即悬浮齿X、Y串联，悬浮齿Z、U串联，悬浮齿V、W串联。左、右定子铁心(1、5)的悬浮齿X、Y和V、W的偏置磁通与中定子铁心3悬浮齿Z、U的偏置磁通方向相反。

由定子铁心(左、中、右定子铁心)的铁磁材料，确定+x方向的悬浮齿Z下的径向气隙饱和磁感应强度为B_s，假设悬浮齿X、Y、V、W下的径向气隙偏置磁感应强度为B_p，根据偏置磁通的磁路，左轴向磁化永磁环2在悬浮齿X、Y下径向气隙产生的偏置磁通14，从N极出发，通过左定子铁心1的轭部，左定子铁心1上的悬浮齿X、Y，转子铁心7，进入中定子铁心3上的悬浮齿Z、U和中定子铁心3的轭部回到S极。

右轴向磁化永磁环4在悬浮齿V、W下径向气隙产生的偏置磁通15，从N极出发，通过右定子铁心5的轭部，右定子铁心5上的悬浮齿V、W，转子铁心7，进入中定子铁心3上的悬浮齿Z、U和中定子铁心3的轭部回到S极。

左定子铁心1上的控制磁通16(只画了左定子铁心1上的控制磁通B_kb，中定子铁心3上控制磁通B_ka和右定子铁心5上控制磁通B_kc和它类似)参见附图2。

因此，悬浮齿Z、U下的径向气隙偏置磁感应强度为2B_p，悬浮齿Z、U上绕制的径向控制绕组三10和控制绕组四11产生的径向控制磁感应强度B_ka为：

B_ka＝B_s-2B_p (1)

根据混合磁轴承产生x方向最大悬浮力的通电方法，令悬浮齿Z、U上绕制的径向控制绕组四11和控制绕组三10中通入x方向最大控制电流i_xmax，悬浮齿X、Y绕制的控制绕组一6、控制绕组六13和悬浮齿V、W绕制的控制绕组二9、控制绕组五12中通入x方向最大控制电流的负的一半-0.5i_xmax，产生+x方向最大悬浮力F_xmax，根据磁感应强度与电流的关系式：

式(2)中，N为绕组的匝数，i为电流，s为磁路横截面面积，R为磁阻。因此悬浮齿X、Y绕制的控制绕组一6、控制绕组六13和悬浮齿V、W绕制的控制绕组二9、控制绕组五12产生的径向控制磁感应强度为B_kb和B_kc为：

因此，六个悬浮齿X、Y、Z、U、V、W下径向气隙的合成磁感应强度B_x1、B_y1、B_z1、B_u1、B_v1、B_w1为：

设悬浮齿X、Y、Z、U、V、W径向磁极面积S_r，以及6个悬浮齿X、Y、Z、U、V、W在圆周上互差60度，可以得出+x方向的最大磁悬浮力F_xmax的表达式为：

式(5)中μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m。

根据混合磁轴承产生y方向最大悬浮力的通电方法，令悬浮齿Z、U上绕制的径向控制绕组三10和控制绕组四11不通电，悬浮齿X、Y绕制的控制绕组一6、控制绕组六13中通入负的y方向最大控制电流-i_ymax，悬浮齿V、W绕制的控制绕组二9、控制绕组五12中通入y方向最大控制电流的i_ymax，产生+y方向最大悬浮力F_ymax，根据式(2)确定悬浮齿X、Y绕制的控制绕组一6、控制绕组六13和悬浮齿V、W绕制的控制绕组二9、控制绕组五12产生的径向控制磁感应强度B_yb和B_yc为：

因此，悬浮齿X、Y、V、W下径向气隙的合成磁感应强度B_x2、B_y2、B_v2、B_w2为：

则+y方向的最大磁悬浮力F_ymax的表达式为：

对F_xmax＝F_ymax的方程进行求解，得出悬浮齿X、Y、V、W下的径向气隙偏置磁感应强度B_p为

B_p＝0.3714B_s(9)

根据要求的最大悬浮力F_max与磁极面积关系式

得出悬浮齿X、Y、Z、U、V、W径向磁极面积S_r为

以F_max＝100N，径向饱和磁感应强度B_s＝0.8T为例，计算得出悬浮齿X、Y、V、W下的径向气隙偏置磁感应强度B_p＝0.297T，悬浮齿X、Y、Z、U、V、W径向磁极面积S_r＝2850mm²。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，其特征在于，以悬浮力对称六极混合磁轴承永磁体在定子悬浮齿上形成磁极性的特殊性为出发点，其具体步骤如下：

步骤1：计算+x方向的最大磁悬浮力；

S1.1根据所选铁磁材料，确定+x方向的悬浮齿Z下的径向气隙饱和磁感应强度为B_s，设悬浮齿X、Y、V、W下的径向气隙偏置磁感应强度为B_p，确定悬浮齿Z、U上的径向控制绕组产生的径向控制磁感应强度为B_ka；

S1.2根据交流磁轴承产生+x方向最大悬浮力时三相电流的关系，确定悬浮齿X、Y上的径向控制绕组和悬浮齿V、W上的径向控制绕组产生的径向控制磁感应强度为B_kb和B_kc；

S1.3确定六个悬浮齿X、Y、Z、U、V、W下径向气隙的合成磁感应强度为B_x1、B_y1、B_z1、B_u1、B_v1、B_w1；

S1.4设定悬浮齿X、Y、Z、U、V、W径向磁极面积S_r，以及6个悬浮齿X、Y、Z、U、V、W所对应的角度关系，确定出+x方向的最大磁悬浮力F_xmax的表达式；

步骤2：计算+y方向的最大磁悬浮力；

S2.1根据交流磁轴承产生+y方向最大悬浮力时三相电流的关系，确定悬浮齿X、Y上径向控制绕组和悬浮齿V、W上的径向控制绕组产生的径向控制磁感应强度均为B_y；

S2.2根据悬浮齿X、Y、V、W下的径向气隙偏置磁感应强度为B_p和径向控制磁感应强度均为B_y，确定悬浮齿X、Y、V、W下径向气隙的合成磁感应强度为B_x2、B_y2、B_v2、B_w2；

S2.3根据悬浮齿X、Y、V、W径向磁极面积S_r，以及4个悬浮齿X、Y、V、W所对应的角度关系，确定出+y方向的最大磁悬浮力F_ymax的表达式；

步骤3：对F_xmax＝F_ymax的方程求解，计算出悬浮齿X、Y、V、W下的径向气隙偏置磁感应强度为B_p；

步骤4：由式

计算出悬浮齿X、Y、Z、U、V、W径向磁极面积S_r，其中，F_max为最大悬浮力。

2.根据权利要求1所述的悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，其特征在于，所述B_ka、B_kb、B_kc与B_s、B_p的关系为：

B_ka＝B_s-2B_p；

3.根据权利要求2所述的悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，其特征在于，所述S1.4以及S2.3中悬浮齿X、Y、Z、U、V、W所对应的角度关系为：在圆周上互差60度。

4.根据权利要求3所述的悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，其特征在于，所述+x方向的最大磁悬浮力F_xmax的表达式为：

其中，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m。

5.根据权利要求3所述的悬浮力对称六极混合磁轴承的设计方法，其特征在于，所述+y方向的最大磁悬浮力F_ymax的表达式为：

其中，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m。

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