八磁极永磁偏置径向磁轴承磁悬浮机理研究

    赵旭升

(南京化工职业技术学院，江苏南京210048)

    摘要：研究了一种永磁偏置径向磁轴承，该磁轴承结构简单、控制方便，偏置永磁体采用嵌入式，装在控制线圈之间，磁路完全在轴承内部闭合，漏磁较小。研究了其结构，分析了悬浮力产生机理，进行了有限元仿真分析。研究结果表明，该磁轴承控制方便，动静态性能良好，在飞轮储能、超高速电机等领域具有广阔的应用前景。

    关键词：永磁偏置磁轴承；磁路；悬浮力；有限元

    中图分类号：TM355  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)06—0007一03

0引  言

    按照悬浮磁场的不同，磁轴承一般分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁轴承三类。混合磁轴承也称永磁偏置磁轴承，用****磁铁产生的磁场取代主动磁悬浮轴承中电磁铁产生的静态偏置磁场，具有降低功率放大器的功耗，减少电磁铁的匝数，缩小磁轴承的体积，提高轴承承载力等优点，在高速、真空、超洁净、核等特殊的应用场合具有广阔的应用前景^[1-2]。

    磁轴承经济效益主要决定于机械部件制造成本、控制与功放器件成本及运行成本。前一项直接与磁轴承机械结构相关，而后两项则直接与功率损耗有关。传统直流型径向磁轴承机械结构简单，但功率损耗大；传统永磁偏置型径向磁轴承虽然功耗较低，但结构又较复杂[3]。本文在文献[4]的基础上研究了一种新型永磁偏置径向磁轴承，它采用嵌入式永磁体产生偏置磁通以提供静态悬浮力，控制线圈仅仅提供控制磁通以克服瞬时负载及扰动，并将永磁体放置于控制线圈之间，磁路完全在轴承内部闭合，漏磁较小，该磁轴承可应用于小尺寸和大气隙磁轴承的场合。在简述其结构及工作原理的基础上，对该磁轴承进行了有限元仿真。结果表明，轴承控制方便，并具有良好的动静态性能。

1磁轴承结构及其工作原理

1．1磁轴承结构

    该永磁偏置径向磁轴承结构及磁路原理图如图1所示。它由径向定子、径向控制线圈、转子铁心、

转子及片状永磁体构成，为减小磁滞和涡流损耗，定子铁心采用硅钢片叠压而成，定子上有8个凸出磁极，4个带线圈的为控制磁极，绕组固定在4个控制磁极上通电产生控制磁通。4个嵌放永磁体的为永磁磁极，置于控制磁极之间，块状矩形永磁体采用稀土材料钕铁硼制成，镶嵌在定子永磁磁极中以产生偏置磁通，当转子径向稳定悬浮时，转子在永磁体产生的静态偏置磁场吸力下处于悬浮中间位置。由于该磁轴承磁极为异极性排列，为减小磁滞和涡流损耗，悬浮转子铁心也采用硅钢片叠压制成为简单圆柱体套装在转子上。由于该型磁轴承磁通完全在同平面内闭合，所以具有磁通路径短和漏磁较小的优点，同时，该磁轴承利用永磁体产生偏置磁通，还具有功耗小、轴向长度短的优点，在飞轮储能、空调压缩机、涡轮分子泵等高速应用场合具有广泛的应用前景^[4]。

1．2磁悬浮机理

    从图l可看出，每块永磁体产生的偏置磁通分两路出发分别流经永磁磁极、永磁磁极下气隙、转子、控制磁极下气隙、控制磁极及定子磁轭，再回到永磁体，如图中带箭头实线所示。每个控制磁极上绕有一个集中式绕组产生控制磁通，控制磁通只流经定子磁轭、控制磁极、控制磁极下气隙与转子，再经外定子铁心闭合，如图1中虚线所示。由于永磁体的磁阻较大，控制磁通不经过永磁磁极，可避免控制磁通与偏置磁通方向相反时对永磁体的去磁。

    假设不考虑转子白重，当转子处于平衡位置，并且控制线圈在没有通电的情况下，片状永磁体在径向气隙产生相等的偏置磁通，这样使转子受到径向磁阻力合力为零，稳定在平衡位置，仿真结果如图2所示。由于结构的对称性，****磁体产生的磁通在转子的上下气隙处是相等的，此时上下吸力相等。如果在此平衡位置时转子受到一个向下的外扰力，转子就会偏离参考位置向下运动，造成****磁铁产生的上下气隙的磁通变化，即上面的气隙增大，永磁体产生的磁通减少，下面的气隙减少，永磁体产生的磁通增加。

    由于磁场力与磁通的平方成正比，因此下面的吸力小于上面的吸力，在加入控制磁通前，转子将无法回到平衡位置。此时位移传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号转变成控制信号，功率放大器又将此控制信