CN116255394B - 一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承及永磁体参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承及永磁体参数设计方法，定子铁心由形左定子铁心、形右定子铁心和位于两者之间的形铝环组成，铝环中开有n个沿圆周均匀分布的通透矩形槽，槽中插入n块矩形永磁体，左、右定子铁心与转子铁心之间存在气隙，且左、右定子铁心内圆周均匀分布k个磁极，n＝j×k，j为自然数，k为3或4。根据等效偏置磁路与每个磁极最大磁吸力需求F_max，确定磁极面积S_g，然后计算出偏置磁路总磁通，选择永磁材料，确定H_c和μ_r，再计算出n个矩形永磁体提供的总磁通，让两者相等，即可确定每个永磁体参数h_m和S_m。本发明采用多块矩形永磁体提供偏置磁通，加工容易，价格便宜，便于安装，漏磁小。

Description

一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承及永磁体参数设计 方法

技术领域

本发明涉及一种非机械接触磁悬浮轴承，特指一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承及永磁体参数设计方法，可作为飞轮系统、机床电主轴等高速传动部件的无接触悬浮支承。

背景技术

磁悬浮轴承可以简称为磁轴承，是利用定子和转子之间的电磁力将转子悬浮于空中，使得定子和转子之间没有任何机械接触，因此磁轴承具有无摩擦、无磨损、无污染、能耗低、高速度、高精度等很多优点，因此磁轴承被广泛应用于机械加工、航天技术、能源开发等领域。

磁悬浮轴承按照永磁体产生的偏置磁通和线圈绕组产生的控制磁通是否在同一个平面，可以将混合磁轴承分为同极性和异极性两种。永磁体的极性相同，并且偏置磁通和控制磁通不在同一个平面，则是同极性混合磁轴承，反之则是异极性，同极性可以减少转子的磁滞损耗，而且悬浮力和磁场间的耦合较弱，控制简单。但是现有的同极性混合磁轴承都采用轴向磁化的环形永磁环安装在定子铁心中间，提供偏置磁通，环形永磁体充磁困难，价格高，安装困难。因此，本发明提出一种用n块矩形永磁体代替环形永磁体的混合磁轴承及永磁体参数设计方法。具有永磁体加工容易，价格便宜，降低磁轴承的成本，提高材料的利用率，且便于安装的优点。

发明内容

发明目的：本发明提供一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承及永磁体参数设计方法，用开有n个沿内圆周均匀分布的矩形槽铝环结构代替以往的轴向磁化永磁环结构，只需要在矩形槽中插入n块矩形永磁体，这样可以解决永磁体安装困难，使得永磁体加工容易，价格便宜，安装方便，降低磁轴承的成本，提高材料的利用率。

技术方案：本发明公开了一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承及永磁体参数设计方法，包括定子和转子两部分，所述转子包括转子铁心和转轴，所述转轴贯穿于转子铁心；所述定子铁心是由形左定子铁心、/>形右定子铁心组成；/>形铝环在/>形左定子铁心、/>形右定子铁心之间，铝环中开有n个沿内圆周均匀分布的通透矩形槽，所述矩形槽中插入n块矩形永磁体；n块所述矩形永磁体在/>形左定子铁心、/>形右定子铁心、/>形铝环之间；定子铁心与转子铁心之间存在气隙。

进一步地，定子铁心还包括k个磁极，所述磁极沿定子铁心内圆周均匀分布，所述磁极上绕制线圈绕组。

进一步地，n块所述矩形永磁体插在形铝环中的矩形槽中，所述矩形永磁体的块数n＝j·k，k等于3或4，j为自然数，永磁体充磁方向长度为h_m，磁化面积为S_m。

进一步地，包括如下步骤：

基于上述的混合磁轴承结构，确定等效磁路图；干路上主要由永磁体产生的磁动势F_c和n个永磁体磁导G_m并联，支路上是由k个气隙磁导G_g并联，然后两种相串联；根据磁路基尔霍夫定律，可将永磁体产生的磁动势F_c、n个永磁体磁导G_m、k个气隙磁导G_g之间的关系表示出来，进一步得到得到永磁体参数S_m和h_m。

进一步地，所述永磁体参数设计方法具体步骤如下：

步骤1：根据等效磁路图，对整个磁路进行分析，整个磁路中主要是由永磁体产生的磁动势F_c和n个永磁体磁导G_m以及k个气隙磁导G_g组成；

步骤2：根据每个磁极最大悬浮力F_max和气隙饱和磁感应强度B_s以及真空磁导率μ₀，求出每个磁极面积S_g：

步骤3：根据磁极面积S_g和气隙饱和磁感应强度B_s，k个磁极所需的总偏置磁通Φ求出来：

步骤4：根据磁路基尔霍夫定律，将永磁体的永磁磁通Φ_m和气隙磁通Φ_g通过总磁通Φ表示出来：

步骤5：根据求出的永磁磁通Φ_m将每个永磁体的磁动势F_c求出来：

步骤6：根据已知的真空磁导率μ₀和求出来的磁极面积S_g以及气隙长度g₀，将气隙磁导G_g求出来：

步骤7：根据已知的永磁体矫顽力H_c和求出来的永磁体磁动势F_c,将永磁体的充磁方向长度h_m表示出来：

步骤8；由永磁体磁动势F_c,求出Φ，从而将h_m和S_m的关系表示出来：

步骤9：根据步骤7和步骤8将h_m和S_m求出来：

有益效果：

通过用n块沿内圆周均匀分布的矩形永磁体代替以往的永磁环结构，只需要在矩形槽中插入n块矩形永磁体，这使得永磁体便于安装，加工容易，价格便宜，降低磁轴承成本，提升材料利用率，漏磁小。

附图说明

图1为同极性混合磁轴承的结构图；

图2为矩形永磁体的结构图；

图3为铝环的结构图；

图4为永磁体的等效磁路图；

图5为同极性混合磁轴承的偏置磁路图；

图6为同极性混合磁轴承的控制磁路图；

图7为四块矩形永磁体气隙磁密图；

图8为八块矩形永磁体气隙磁密图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

具体结构如图1-6所示，本发明公开了一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承及其永磁体参数设计方法，本发明取4极为例，该结构大致包括定子、位于其内圈的转子。

定子为轴向对称结构，包括定子铁心1，定子铁心1包括形左定子铁心、/>形右定子铁心，转子包括转子铁心2和转轴7，转子铁心2是圆柱形结构，转轴7贯穿于转子铁心2内部，转轴7轴向长度较长，转子铁心2径向长度较长。定子铁心1和转子铁心2之间设置径向气隙12。该同极性混合磁轴承还包括四个磁极8，四个磁极8沿定子铁心1内圆周均匀分布，且四个磁极8之间相差90度，定子大致结构图参见附图1。定子铁心1包括外侧为定子磁轭9。四个磁极8上均绕制线圈绕组4，每个磁极8上绕制的线圈绕组4的匝数都为N，并且线圈绕组4都绕制在每个磁极8和定子磁轭9中间，这样绕制结构上更加合理，更好的确保磁轴承工作正常。

铝环10为形，铝环10中开有n个沿圆周均匀分布的通透矩形槽11，矩形槽11中插入n块矩形永磁体3，矩形永磁体3应该用多少块，其中n＝j·k，k等于3或4，j为自然数，永磁体充磁方向长度为h_m，磁化面积为S_m。矩形永磁体结构图参见附图2，铝环10和矩形槽11的结构图参见附图3。

矩形永磁体3沿内圆周均匀分布，并且矩形永磁体3在形左定子铁心、/>形右定子铁心、/>形铝环10两者之间，矩形永磁体3比环形永磁体安装简单，矩形永磁体3和左右定子铁心以及铝环10的结构图参见附图5。定子铁心1、转子铁心2由整块导磁材料制成，铝环10和转轴7是由非导磁性材料制成。矩形永磁体3为稀土永磁材料制成。

矩形永磁体的块数n＝j×k，k为3或4，j为自然数，也就是说如果j＝1且k＝3，n等于j和k的乘积值，说明矩形永磁体的块数为3块，根据j的不同取值，说明永磁体的块数为3×j块；同样如果j＝1且k＝4，n等于j和k的乘积值，说明矩形永磁体的块数为4块，根据j的不同取值，说明永磁体的块数为4×j块。本发明是取4极为例，分别取4块永磁体、8块永磁体进行仿真，仿真结果参见附图7和附图8。

偏置磁路5是从n块矩形永磁体3的N极流出，经过定子磁轭9、定子磁极8、径向气隙12到达转子铁心2，然后再从转子铁心2流过径向气隙12、定子磁极8、定子磁轭9，最后回到矩形永磁体3的S极；线圈绕组4通电产生的控制磁通6，控制磁通6是在定子磁极8、定子磁轭9、径向气隙12、转子铁心2间形成一个闭合回路。

永磁体参数设计方法是，根据等效偏置磁路与每个磁极最大磁吸力需求F_max，确定磁极面积S_g，然后计算出偏置磁路总磁通，选择永磁材料，确定H_c和μ_r，再计算出n个矩形永磁体提供的总磁通，让两者相等，即可确定每个永磁体参数h_m和S_m。

在永磁体的等效磁路图中，参见附图4，干路上主要由永磁体产生的磁动势F_c和n个永磁体磁导G_m组成，支路上是由k个气隙磁导G_g并联得到。由于磁路和电路的相似性，我们可以根据电路中的节点电压法，将电路中的基尔霍夫定律用到磁路中，从而将永磁体产生的磁动势F_c、n个永磁体磁导G_m、k个气隙磁导G_g之间的关系表示出来，找出它们和S_m和h_m之间的联系，进一步把S_m和h_m求出来。具体步骤如下：

步骤1：永磁体的磁路由永磁体、软磁材料、气隙组成。

步骤2：永磁体工作点在回复线上，对于常温下的钕铁硼永磁材料，其退磁曲线基本是直线，因此回复线与退磁曲线基本重合，永磁体的剩余磁感应强度B_r和永磁体的矫顽力H_c已知。

步骤3：假设永磁体在垂直于充磁方向上的截面积都相同为S_m，充磁方向长度均为h_m，并且磁化均匀。

步骤4：根据永磁体的等效磁路图，对整个磁路进行分析，整个磁路中主要是由永磁体产生的磁动势F_c和n个永磁体磁导G_m以及k个气隙磁导G_g组成。

步骤5：根据每个磁极最大悬浮力F_max需求和气隙饱和磁感应强度B_s以及真空磁导率μ₀，求出每个磁极面积S_g：

步骤6：根据已求磁极面积S_g和气隙饱和磁感应强度B_s，将k个磁极所需的总偏置磁通Φ求出来：

步骤7：根据磁路基尔霍夫定律，将永磁体的永磁磁通Φ_m和气隙磁通Φ_g通过总磁通Φ表示出来：

步骤8：根据求出的永磁磁通Φ_m将每个永磁体的磁动势F_c求出来：

步骤9：根据已知的真空磁导率μ₀、磁极面积S_g与气隙长度g₀，将气隙磁导G_g求出来：

步骤10：根据已知的永磁体矫顽力H_c和求出来的永磁体磁动势F_c,将永磁体的充磁方向长度h_m表示出来：

步骤11；由永磁体磁动势F_c,求出Φ，从而将h_m和S_m的关系表示出来：

步骤12：根据步骤10和步骤11将h_m和S_m求出来：

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内。

Claims (3)

1.一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承的永磁体参数设计方法，其特征在于：所述多块矩形永磁体同极性混合磁轴承包括定子和转子，所述转子包括转子铁心(2)和转轴(7)，所述转轴(7)贯穿于转子铁心；定子铁心(1)是由形左定子铁心、/>形右定子铁心组成；/>形铝环(10)在定子铁心(1)之间，铝环(10)中开有n个沿内圆周均匀分布的通透矩形槽(11)，所述矩形槽(11)中插入n块矩形永磁体(3)；n块所述矩形永磁体(3)在/>形左定子铁心、/>形右定子铁心、/>形铝环之间，定子铁心(1)与转子铁心之间存在气隙(12)；定子铁心(1)内圆周设置有磁极(8)，所述矩形永磁体的块数n＝j×k，j为自然数，磁极数为k个，k为3或4；

永磁体参数设计方法包括如下步骤：

基于上述的混合磁轴承结构，确定等效磁路图；干路上主要由永磁体产生的n个磁动势F_c和永磁体磁导G_m并联，支路上是由两路k个气隙磁导G_g并联后串联，然后相串联；根据磁路基尔霍夫定律，求出n个永磁体磁动势F_c与磁导G_m、k个气隙磁导G_g之间的关系，进一步得到永磁体参数S_m和h_m；永磁体充磁方向长度为h_m，磁化面积为S_m；

步骤1：根据等效磁路图，整个磁路中主要是由n个永磁体磁动势F_c和永磁体磁导G_m以及k个气隙磁导G_g组成；

步骤2：根据每个磁极最大磁吸力需求F_max和气隙饱和磁感应强度B_s以及真空磁导率μ₀，求出每个磁极面积S_g：

步骤3：根据磁极面积S_g和气隙饱和磁感应强度B_s，k个磁极所需的总偏置磁通Φ求出来：

步骤4：将永磁体的永磁磁通Φ_m和气隙磁通Φ_g通过总磁通Φ表示出来：

步骤5：根据求出来的永磁磁通Φ_m将每个永磁体的磁动势F_c表示出来：

步骤6：根据已知的真空磁导率μ₀和求出来的磁极面积S_g以及气隙长度g₀，将气隙磁导G_g求出来：

步骤7：根据已知的永磁体矫顽力H_c和求出来的永磁体磁动势F_c,将永磁体的充磁方向长度h_m表示出来：

步骤8：由永磁体磁动势F_c,求出Φ，从而将h_m和S_m的关系表示出来：

步骤9：根据步骤7和步骤8将h_m和S_m求出来：

2.根据权利要求1所述的一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承的永磁体参数设计方法，其特征在于：磁极(8)沿定子铁心(1)内圆周均匀分布，所述磁极(8)上绕制线圈绕组(4)。

3.根据权利要求1所述一种多块矩形永磁体同极性混合磁轴承的永磁体参数设计方法，其特征在于：n块所述矩形永磁体(3)插在形铝环(10)中的矩形槽(11)中。