CN112815005A - 六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法 - Google Patents

六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法 Download PDF

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CN112815005A CN202110049519.9A CN202110049519A CN112815005A CN 112815005 A CN112815005 A CN 112815005A CN 202110049519 A CN202110049519 A CN 202110049519A CN 112815005 A CN112815005 A CN 112815005A
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Abstract

本发明公开一种六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法。包括定子和转子，定子包括外控制铁心和内永磁定子。外控制铁心沿内圆周分布有两组悬浮极A、B、C与a、b、c，悬浮极a、b、c内侧为扇形圆环结构，通过六个永磁体与三个扇形圆环铁心组成内永磁定子，悬浮极A、B、C与三个扇形圆环铁心之间存在分磁气隙，内永磁定子与转子之间存在主气隙。主气隙长度gi、分磁气隙长度go、abc的极面积Si与ABC的极面积So满足：
Figure DDA0002898507650000011
悬浮极A、B、C与a、b、c上控制绕组匝数No、Ni之间满足：
Figure DDA0002898507650000012
控制绕组A‑a、B‑b、C‑c上的绕组反向串联为一相，然后接成Y型三相绕组，由三相逆变器供电。本发明仅需一个三相逆变器就能实现转子稳定悬浮，具有承载力大，位移刚度小，磁场扰动较小，转子铁芯损耗低，便于控制等优点。

Description

六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法
技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法，可用于飞轮系统等高速传动无接触悬浮支承。
背景技术
磁悬浮轴承是一种实现定转子之间无机械摩擦的新型高性能轴承，具有无摩擦、寿命长、高精度、低损耗等诸多优点，被广泛应用于生命科学、飞轮储能、航天航空等技术领域。根据控制电流，混合磁轴承可分为直流四极混合磁轴承和交流三极混合磁轴承。六极混合磁轴承的结构对称，又可采用三相逆变器驱动，所以兼具直流四极混合磁轴承和交流三极混合磁轴承的优点。根据偏置磁路，径向混合磁轴承可分为同极性混合磁轴承和异极性混合磁轴承。而同极性混合磁轴承轴向长度过长，限制了转子临界速度及其在高速飞轮储能系统中的应用。另外，传统的异极混合磁轴承存在位移刚度过大以及转子铁心损耗大等缺点。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法，由一个三相逆变器就实现径向两自由度稳定悬浮，控制简单，结构紧凑，具有较低的转子铁心损耗，较小的磁场扰动和较小的位移刚度。
技术方案：本发明提供了一种六极异极型交流混合磁轴承，包括定子和转子，所述定子包括外控制铁心和内永磁定子，所述外控制铁心沿内圆周均匀分布有间隔设置的悬浮极A、B、C与悬浮极a、b、c，所述悬浮极a、b、c内侧为扇形圆环结构，通过六个永磁体P1～P6与三个同结构的扇形圆环铁心T1～T3连接成内永磁定子，所述悬浮极A、B、C与三个扇形圆环铁心T1～T3之间存在分磁气隙，所述内永磁定子与转子之间存在主气隙；转子包括转子铁心和转轴，所述转轴贯穿于所述转子铁心内；所述悬浮极A、B、C、a、b、c上均绕制集中式控制绕组W1～W6，控制绕组W1和W5、控制绕组W2和W6、控制绕组W3和W4分别反向串联，然后连接成Y型三相绕组，由一个三相逆变器供电。
进一步地，其中一个所述永磁体轴线位于+x轴逆时针30°，所述六个永磁体按照NSSNNSSNNSSN排布成异极结构，互成60°嵌入到极对之间的内永磁定子中。
进一步地，所述悬浮极A、B、C之间互差120°，且悬浮极A轴线与+x轴重合，所述悬浮极a、b、c之间互差120°，且悬浮极a轴线位于+x轴逆时针60°。
进一步地，所述转子铁心、外控制铁心和内永磁定子均由硅钢片叠压而成，六个永磁体为稀土永磁材料制成。
本发明还公开了一种六极异极型交流混合磁轴承的设计方法，包括如下步骤：
S1：根据六极异极型交流混合磁轴承结构构建磁路模型，利用磁路基尔霍夫定律得到磁路方程；
S2：确定六个永磁体的矢量充磁方向以及永磁体的永磁材料；
S3：设计偏置磁密，经过主气隙的偏置磁通表示为：
Figure BDA0002898507630000021
其中，F1～F4分别是结点1～4处的磁动势，内永磁定子(4)与转子(2)之间形成的六个主气隙(7)的磁阻记为R1～R6，ФPRi表示经过主气隙的偏置磁通，为了获得最大磁场力，ФPRi＝ФPCi＝ФP0＝Фs/2(i＝1,2,3,4,5,6)，偏置磁密设计为B0＝BS/2，其中，BS为六极异极型交流混合磁轴承的饱和磁感应强度，一般取值1.2～1.4T，B0为气隙偏置磁通；
S4：确定控制磁通，其表示为
Figure BDA0002898507630000022
Figure BDA0002898507630000023
其中，ФCRi表示经过主气隙的控制磁通，以x方向获得最大悬浮力进行设计说明：令控制绕组W1和W5中通入最大控制电流ixmax，控制绕组W2和W6，控制绕组W3和W4分别通入x方向最大控制电流的负的一半-0.5ixmax，产生+x方向最大悬浮力Fxmax；
S5：根据S1中的磁路方程，设计主气隙(7)与分磁气隙(5)，设主气隙(7)长度gi、分磁气隙(5)长度go、悬浮极a、b、c的极面积为Si、悬浮极A、B、C的极面积为So，其之间的关系满足：
Figure BDA0002898507630000024
S6：设计悬浮极A、B、C与悬浮极a、b、c上的控制绕组匝数满足：
Figure BDA0002898507630000025
其中，No为悬浮极A、B、C上的控制绕组匝数，Ni为悬浮极a、b、c上的控制绕组匝数。
优选地，所述S1中的磁路方程为：
Figure BDA0002898507630000031
其中，悬浮极A、B、C与三个扇形圆环铁心T1～T3之间存在的分磁气隙(5)的磁阻分别记为RA～RC，内永磁定子(4)与转子(2)之间形成的六个主气隙(7)的磁阻记为R1～R6，F1～F4分别是结点1～4处的磁动势，Fm为永磁体磁动势。
优选地，所述永磁体的永磁材料选用钕铁硼材料，钕铁硼材料去磁曲线接近于直线满足：
Figure BDA0002898507630000032
其中，Fc为永磁体矫顽磁势，Фm为永磁体外部磁路磁通，Фr为永磁体剩余磁通，当转子处于空载状态时：气隙偏置磁感应强度
Figure BDA0002898507630000033
Фm＝B0Si，永磁体可根据公式
Figure BDA0002898507630000034
进行设计；其中，Hpm为永磁体长度，Hc为永磁体矫顽力，Apm为永磁体截面积，μ0为真空磁导率，Br为永磁体剩余磁感应强度。
优选地，所述六个永磁体设计的矢量充磁方向依次为
Figure BDA0002898507630000035
(-1,0,0)，
Figure BDA0002898507630000036
Figure BDA0002898507630000037
(-1,0,0)，
Figure BDA0002898507630000038
优选地，所述S4中的+x方向最大悬浮力Fxmax设计方法为：
Figure BDA0002898507630000039
式中，ФPRi和ФCRi分别表示经过主气隙的偏置磁通和控制磁通，FaC、FAb和FcB分别表示沿磁极aC、Ab和cB的悬浮力，当ФPRi＝ФCri＝ФP0(i＝1,2,3,4,5,6)，则
Figure BDA0002898507630000041
那么内磁极面积可表示为
Figure BDA0002898507630000042
有益效果：
本发明提出的六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法，引入分磁气隙，采用一个三相逆变器就能实现转子稳定悬浮，另外具有小的位移刚度，低转子铁芯损耗，便于控制等优点。
附图说明
图1为本发明一种六极异极型交流混合磁轴承左视图；
图2为本发明一种六极异极型交流混合磁轴承永磁磁通和控制磁通回路图；
图3为本发明一种六极异极型交流混合磁轴承永磁偏置等效磁路图；
图4为本发明一种六极异极型交流混合磁轴承等效控制磁路图。
其中，1-定子，2-转子，3-外控制铁心，4-内永磁定子，5-分磁气隙，6-永磁体，7-主气隙，8-转子铁心，9-转轴，10-静态偏置磁通，11-控制磁通。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
具体实施方式如图1-4所示，本发明公开了一种六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法，该六极异极型交流混合磁轴承包括定子1和转子2，定子1包括外控制铁心3、内永磁定子4；外控制铁心3沿内圆周均匀分布有六个互成60°的两组悬浮极A、B、C与a、b、c。悬浮极A、B、C之间互差120°，且悬浮极A轴线与+x轴重合，悬浮极a、b、c之间互差120°，且悬浮极a轴线位于+x轴逆时针60°。悬浮极a、b、c内侧为扇形圆环结构，通过六个永磁体6与三个扇形圆环铁心T1～T3组成内永磁定子4，六个永磁体6分别记为永磁体P1～P6，参见附图1。悬浮极A、B、C与三个扇形圆环铁心T1～T3之间存在分磁气隙5，内永磁定子4与转子2之间存在主气隙7。六个永磁体P1～P6按照NSSNNSSNNSSN排布成异极结构，互成60°嵌入到极对之间的内永磁定子4中。只有悬浮极A、B、C与内永磁定子4形成三个长度相等的分磁气隙5，磁阻记为RA～RC。内永磁定子4与转子2之间形成六个主气隙7，磁阻记为R1～R6。ABC的极面积记为So，abc的极面积记为Si。转子2包括转子铁心8和转轴9，转轴9贯穿于转子铁心8。
三个悬浮极(悬浮极A、悬浮极B、悬浮极C)之间互差120°，且悬浮极A轴线与+x轴重合。
三个悬浮极(悬浮极a、悬浮极b、悬浮极c)之间互差120°，且悬浮极a轴线位于+x轴逆时针60°。
永磁体轴线位于+x轴逆时针30°，且六个永磁体互成60°嵌入到极对之间的内永磁定子中，按照NSSNNSSNNSSN排布成异极结构。
本实施方式中，转子铁心8、外控制铁心3均由硅钢片叠压而成。六个永磁体6为稀土永磁材料制成。控制绕组均采用电磁线圈绕制后浸漆烘干而成。
本发明还公开了一种基于上述的六极异极型交流混合磁轴承结构的参数设计方法，包括：
S1：根据六极异极型交流混合磁轴承结构构建磁路模型，利用基尔霍夫定律得到磁路方程。
参见附图3，磁路方程为：
Figure BDA0002898507630000051
其中，悬浮极A、B、C与三个扇形圆环铁心T1～T3之间存在的分磁气隙5的磁阻分别记为RA～RC，内永磁定子4与转子2之间形成的六个主气隙7的磁阻记为R1～R6，F1～F4分别是结点1～4处的磁动势，Fm为永磁体磁动势。
S2：确定六个永磁体的矢量充磁方向以及永磁体的永磁材料。
六个永磁体设计的矢量充磁方向依次为
Figure BDA0002898507630000052
(-1,0,0)，
Figure BDA0002898507630000053
(-1,0,0)，
Figure BDA0002898507630000054
提供的偏置磁场分布在转子内密集，在外控制铁心3较稀疏。永磁体磁动势Fm与永磁材料去磁曲线有关。钕铁硼是一种高性能稀土永磁材料，具有以下特点:剩余磁感应强度高，室温下Br可高达1.47T，磁感应矫顽力高，Hc可高达992kA/m。钕铁硼材料去磁曲线接近于直线满足：
Figure BDA0002898507630000055
其中，Fc为永磁体矫顽磁势，Фm为永磁体外部磁路磁通，Фr为永磁体剩余磁通，当转子处于空载状态时：气隙偏置磁感应强度
Figure BDA0002898507630000061
Фm＝B0Si，永磁体可根据公式
Figure BDA0002898507630000062
进行设计；其中，Hpm为永磁体长度，Hc为永磁体矫顽力，Apm为永磁体截面积，μ0为真空磁导率，Br为永磁体剩余磁感应强度。
S3：设计偏置磁密，经过主气隙的偏置磁通表示为：
Figure BDA0002898507630000063
其中，ФPRi表示经过主气隙的偏置磁通，为了获得最大磁场力，ФPRi＝ФPCi＝ФP0＝Фs/2(i＝1,2,3,4,5,6)，偏置磁密设计为B0＝BS/2，其中，BS为六极异极型交流混合磁轴承的饱和磁感应强度，B0为气隙偏置磁通。为避免硅钢材料出现磁饱和，设定六极异极型交流混合磁轴承的饱和磁感应强度BS一般取值1.2～1.4T，本实施方式中取BS为1.2T，因此，气隙偏置磁通B0设计为0.6T。
S4：确定控制磁通，其表示为：
Figure BDA0002898507630000064
Figure BDA0002898507630000065
其中，ФCRi表示经过主气隙的控制磁通，以x方向获得最大悬浮力进行设计说明：令控制绕组W1和W5中通入最大控制电流ixmax，控制绕组W2和W6，控制绕组W3和W4分别通入x方向最大控制电流的负的一半-0.5ixmax，产生+x方向最大悬浮力Fxmax。
Figure BDA0002898507630000066
式中，ФPRi和ФCRi分别表示经过主气隙的偏置磁通和控制磁通，FaC、FAb和FcB分别表示沿磁极aC、Ab和cB的悬浮力，当ФPRi＝ФCri＝ФP0(i＝1,2,3,4,5,6)，则：
Figure BDA0002898507630000067
Figure BDA0002898507630000068
S5：根据S1中的磁路方程，设计主气隙7与分磁气隙5，设主气隙7长度gi、分磁气隙5长度go、悬浮极a、b、c的极面积为Si、悬浮极A、B、C的极面积为So，其之间的关系满足：
Figure BDA0002898507630000071
主气隙7、分磁气隙5设计方法如下，记Ri＝Rn(i＝1,2,3,4,5,6)，Rj＝Rw(j＝A,B,C)，由
Figure BDA0002898507630000072
F2＝6F1，代入公式(1)得
Figure BDA0002898507630000073
又因为
Figure BDA0002898507630000074
得，
Figure BDA0002898507630000075
假设悬浮极A、B、C的极面积与悬浮极a、b、c的极面积相等，本实施方式中，主气隙7可设计为0.5mm，那么分磁气隙5可设计为2mm。
S6：设计悬浮极A、B、C与悬浮极a、b、c上的控制绕组匝数满足：
Figure BDA0002898507630000076
其中，No为悬浮极A、B、C上的控制绕组匝数，Ni为悬浮极a、b、c上的控制绕组匝数。
假设悬浮极A、B、C的极面积与悬浮极a、b、c的极面积相等，主气隙7设计为0.5mm，分磁气隙5设计为2mm，则有No:Ni＝5:1。因此，在本实施方式中悬浮极A、B、C的上控制绕组W1～W3设计为200匝，悬浮极a、b、c上的控制绕组W4～W6设计为40匝。
永磁体6提供静态偏置磁通10，如附图2所示，静态偏置磁通10的磁路分为两路：一路磁通从永磁体6的N极出发，通过内永磁定子4、主气隙7、转子2、回到永磁体的S极；另一路磁通从永磁体6的N极出发，通过内永磁定子4、分磁气隙5、悬浮极、外控制铁心3回到永磁体的S极。
以A相绕组通电产生控制磁通11为例，如附图2所示，其磁路为：悬浮极A、外控制铁心3、悬浮极b、内永磁定子4、主气隙7、转子铁心8、主气隙7、内永磁定子4、分磁气隙5、悬浮极A形成闭合路径。
悬浮原理：假设转子受到某一方向上的扰动，偏置磁通产生的合力会指向该偏心方向。此时通过控制电流产生控制磁通11，并与静态偏置磁通10相互作用，使得与转子2偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子2上产生与转子2偏移方向相反的力，将转子2拉回径向平衡位置。假设转子2受到x负方向的扰动力，电涡流位移传感器检测到转子偏移参考位置的位移变化量，控制器将转子2位移信号变成控制信号，电压-电流功率放大器又将控制信号变成控制电流，电磁磁通的变化，使得转子2回到原来的平衡位置。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种六极异极型交流混合磁轴承，包括定子(1)和转子(2)，其特征在于，所述定子(1)包括外控制铁心(3)和内永磁定子(4)，所述外控制铁心(3)沿内圆周均匀分布有间隔设置的悬浮极A、B、C与悬浮极a、b、c，所述悬浮极a、b、c内侧为扇形圆环结构，通过六个永磁体P1～P6与三个同结构的扇形圆环铁心T1～T3连接成内永磁定子(4)，所述悬浮极A、B、C与三个扇形圆环铁心T1～T3之间存在分磁气隙(5)，所述内永磁定子(4)与转子(2)之间存在主气隙(7)；转子(2)包括转子铁心(8)和转轴(9)，所述转轴(9)贯穿于所述转子铁心(8)内；所述悬浮极A、B、C、a、b、c上均绕制集中式控制绕组W1～W6，控制绕组W1和W5、控制绕组W2和W6、控制绕组W3和W4分别反向串联，然后连接成Y型三相绕组，由一个三相逆变器供电。
2.根据权利要求1所述的六极异极型交流混合磁轴承，其特征在于，其中一个所述永磁体轴线位于+x轴逆时针30°，所述六个永磁体按照NSSNNSSNNSSN排布成异极结构，互成60°嵌入到极对之间的内永磁定子(4)中。
3.根据权利要求1所述的六极异极型交流混合磁轴承，其特征在于，所述悬浮极A、B、C之间互差120°，且悬浮极A轴线与+x轴重合，所述悬浮极a、b、c之间互差120°，且悬浮极a轴线位于+x轴逆时针60°。
4.根据权利要求1至3任一所述的六极异极型交流混合磁轴承，其特征在于，所述转子铁心(8)、外控制铁心(3)和内永磁定子(4)均由硅钢片叠压而成，六个永磁体(6)为稀土永磁材料制成。
5.一种六极异极型交流混合磁轴承的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据六极异极型交流混合磁轴承结构构建磁路模型，利用磁路基尔霍夫定律得到磁路方程；
S2：确定六个永磁体的矢量充磁方向以及永磁体的永磁材料；
S3：设计偏置磁密，经过主气隙的偏置磁通表示为：
Figure FDA0002898507620000011
其中，F1～F4分别是结点1～4处的磁动势，内永磁定子(4)与转子(2)之间形成的六个主气隙(7)的磁阻记为R1～R6，ФPRi表示经过主气隙的偏置磁通，为了获得最大磁场力，ФPRi＝ФPCi＝ФP0＝Фs/2(i＝1,2,3,4,5,6)，偏置磁密设计为B0＝BS/2，其中，BS为六极异极型交流混合磁轴承的饱和磁感应强度，一般取值1.2～1.4T，B0为气隙偏置磁通；
S4：确定控制磁通，其表示为
Figure FDA0002898507620000021
Figure FDA0002898507620000022
其中，ФCRi表示经过主气隙的控制磁通，以x方向获得最大悬浮力进行设计说明：令控制绕组W1和W5中通入最大控制电流ixmax，控制绕组W2和W6，控制绕组W3和W4分别通入x方向最大控制电流的负的一半-0.5ixmax，产生+x方向最大悬浮力Fxmax；
S5：根据S1中的磁路方程，设计主气隙(7)与分磁气隙(5)，设主气隙(7)长度gi、分磁气隙(5)长度go、悬浮极a、b、c的极面积为Si、悬浮极A、B、C的极面积为So，其之间的关系满足：
Figure FDA0002898507620000023
S6：设计悬浮极A、B、C与悬浮极a、b、c上的控制绕组匝数满足：
Figure FDA0002898507620000024
其中，No为悬浮极A、B、C上的控制绕组匝数，Ni为悬浮极a、b、c上的控制绕组匝数。
6.根据权利要求5所述的六极异极型交流混合磁轴承的设计方法，其特征在于，所述S1中的磁路方程为：
Figure FDA0002898507620000025
其中，悬浮极A、B、C与三个扇形圆环铁心T1～T3之间存在的分磁气隙(5)的磁阻分别记为RA～RC，内永磁定子(4)与转子(2)之间形成的六个主气隙(7)的磁阻记为R1～R6，F1～F4分别是结点1～4处的磁动势，Fm为永磁体磁动势。
7.根据权利要求6所述的六极异极型交流混合磁轴承的设计方法，其特征在于，所述永磁体的永磁材料选用钕铁硼材料，钕铁硼材料去磁曲线接近于直线满足：
Figure FDA0002898507620000031
其中，Fc为永磁体矫顽磁势，Фm为永磁体外部磁路磁通，Фr为永磁体剩余磁通，当转子处于空载状态时：气隙偏置磁感应强度
Figure FDA0002898507620000032
Фm＝B0Si，永磁体可根据公式
Figure FDA0002898507620000033
进行设计；其中，Hpm为永磁体长度，Hc为永磁体矫顽力，Apm为永磁体截面积，μ0为真空磁导率，Br为永磁体剩余磁感应强度。
8.根据权利要求5所述的六极异极型交流混合磁轴承的设计方法，其特征在于，所述六个永磁体设计的矢量充磁方向依次为
Figure FDA0002898507620000034
(-1,0,0)，
Figure FDA0002898507620000035
(-1,0,0)，
Figure FDA0002898507620000036
9.根据权利要求8所述的六极异极型交流混合磁轴承的设计方法，其特征在于，所述S4中的+x方向最大悬浮力Fxmax设计方法为：
Figure FDA0002898507620000037
式中，ФPRi和ФCRi分别表示经过主气隙的偏置磁通和控制磁通，FaC、FAb和FcB分别表示沿磁极aC、Ab和cB的悬浮力，当ФPRi＝ФCri＝ФP0(i＝1,2,3,4,5,6)，则
Figure FDA0002898507620000038
那么内磁极面积可表示为
Figure FDA0002898507620000039
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