八磁極永磁偏置徑向磁軸承磁懸浮機理研究

    趙旭升

(南京化工職業技術學院，江蘇南京210048)

    摘要：研究了一種永磁偏置徑向磁軸承，該磁軸承結構簡單、控制方便，偏置永磁體采用嵌入式，裝在控制線圈之間，磁路完全在軸承內部閉合，漏磁較小。研究了其結構，分析了懸浮力產生機理，進行了有限元仿真分析。研究結果表明，該磁軸承控制方便，動靜態性能良好，在飛輪儲能、超高速電機等領域具有廣闊的應用前景。

    關鍵詞：永磁偏置磁軸承；磁路；懸浮力；有限元

    中圖分類號：TM355  文獻標識碼：A  文章編號：1004-7018(2008)06—0007一03

0引  言

    按照懸浮磁場的不同，磁軸承一般分為主動磁軸承、被動磁軸承和混合磁軸承三類。混合磁軸承也稱永磁偏置磁軸承，用****磁鐵產生的磁場取代主動磁懸浮軸承中電磁鐵產生的靜態偏置磁場，具有降低功率放大器的功耗，減少電磁鐵的匝數，縮小磁軸承的體積，提高軸承承載力等優點，在高速、真空、超潔凈、核等特殊的應用場合具有廣闊的應用前景^[1-2]。

    磁軸承經濟效益主要決定于機械部件制造成本、控制與功放器件成本及運行成本。前一項直接與磁軸承機械結構相關，而后兩項則直接與功率損耗有關。傳統直流型徑向磁軸承機械結構簡單，但功率損耗大；傳統永磁偏置型徑向磁軸承雖然功耗較低，但結構又較復雜[3]。本文在文獻[4]的基礎上研究了一種新型永磁偏置徑向磁軸承，它采用嵌入式永磁體產生偏置磁通以提供靜態懸浮力，控制線圈僅僅提供控制磁通以克服瞬時負載及擾動，并將永磁體放置于控制線圈之間，磁路完全在軸承內部閉合，漏磁較小，該磁軸承可應用于小尺寸和大氣隙磁軸承的場合。在簡述其結構及工作原理的基礎上，對該磁軸承進行了有限元仿真。結果表明，軸承控制方便，并具有良好的動靜態性能。

1磁軸承結構及其工作原理

1．1磁軸承結構

    該永磁偏置徑向磁軸承結構及磁路原理圖如圖1所示。它由徑向定子、徑向控制線圈、轉子鐵心、

轉子及片狀永磁體構成，為減小磁滯和渦流損耗，定子鐵心采用硅鋼片疊壓而成，定子上有8個凸出磁極，4個帶線圈的為控制磁極，繞組固定在4個控制磁極上通電產生控制磁通。4個嵌放永磁體的為永磁磁極，置于控制磁極之間，塊狀矩形永磁體采用稀土材料釹鐵硼制成，鑲嵌在定子永磁磁極中以產生偏置磁通，當轉子徑向穩定懸浮時，轉子在永磁體產生的靜態偏置磁場吸力下處于懸浮中間位置。由于該磁軸承磁極為異極性排列，為減小磁滯和渦流損耗，懸浮轉子鐵心也采用硅鋼片疊壓制成為簡單圓柱體套裝在轉子上。由于該型磁軸承磁通完全在同平面內閉合，所以具有磁通路徑短和漏磁較小的優點，同時，該磁軸承利用永磁體產生偏置磁通，還具有功耗小、軸向長度短的優點，在飛輪儲能、空調壓縮機、渦輪分子泵等高速應用場合具有廣泛的應用前景^[4]。

1．2磁懸浮機理

    從圖l可看出，每塊永磁體產生的偏置磁通分兩路出發分別流經永磁磁極、永磁磁極下氣隙、轉子、控制磁極下氣隙、控制磁極及定子磁軛，再回到永磁體，如圖中帶箭頭實線所示。每個控制磁極上繞有一個集中式繞組產生控制磁通，控制磁通只流經定子磁軛、控制磁極、控制磁極下氣隙與轉子，再經外定子鐵心閉合，如圖1中虛線所示。由于永磁體的磁阻較大，控制磁通不經過永磁磁極，可避免控制磁通與偏置磁通方向相反時對永磁體的去磁。

    假設不考慮轉子白重，當轉子處于平衡位置，并且控制線圈在沒有通電的情況下，片狀永磁體在徑向氣隙產生相等的偏置磁通，這樣使轉子受到徑向磁阻力合力為零，穩定在平衡位置，仿真結果如圖2所示。由于結構的對稱性，****磁體產生的磁通在轉子的上下氣隙處是相等的，此時上下吸力相等。如果在此平衡位置時轉子受到一個向下的外擾力，轉子就會偏離參考位置向下運動，造成****磁鐵產生的上下氣隙的磁通變化，即上面的氣隙增大，永磁體產生的磁通減少，下面的氣隙減少，永磁體產生的磁通增加。

    由于磁場力與磁通的平方成正比，因此下面的吸力小于上面的吸力，在加入控制磁通前，轉子將無法回到平衡位置。此時位移傳感器檢測出轉子偏離其參考位置的位移量，控制器將這一位移信號轉變成控制信號，功率放大器又將此控制信