專利名稱：一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種非接觸磁懸浮軸承的設計方法，特別是一種磁懸浮飛輪、磁懸浮控制力矩陀螺等需要磁懸浮支承的裝置用永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，其設計思想可作為各類永磁偏置軸向磁軸承的設計。
背景技術：
磁懸浮軸承分純電磁式和永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，前者使用電流大、功耗大，永磁偏置加電磁控制的混合式磁懸浮軸承，永磁體產生的磁場承擔主要的承載力，電磁磁場提供輔助的調節承載力，因而這種軸承可大大減小控制電流，降低損耗。常用的磁軸承控制方式采用的是傳統的PID控制方式，實現該種方式的控制器參數由軸承剛度與阻尼來確定，經過大量實踐證明，為使得磁軸承具有優良的特性，應使軸承剛度與其位移剛度在同一個數量級上，因此磁軸承的位移剛度對于磁軸承的控制而言至關重要。現有磁軸承的設計方法均利用永磁體最佳工作點進行設計，目的是使永磁體體積最小，但是通過這種方法計算得到的永磁體尺寸往往不太合理，而且導致加工困難，由于沒有考慮位移剛度對控制系統的影響，因而現有設計方法存在準確度差、難以控制的缺陷。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，該方法準確度高，易于控制。
本發明的技術解決方案是一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，需要確定軸承體長度L、槽口寬度Lc、永磁體軸向長度hpm、內導磁環內徑Dnn、內導磁環外徑Dnw(即永磁體外徑Dpm1)、外導磁環外徑Dww、外導磁環內徑Dwn、推力盤內徑Dt2、推力盤外徑Dt1、推力盤軸向長度Lt、永磁體外徑Dpm1、導磁軛厚度h以及線圈匝數N。
其特征在于該方法基于磁軸承的位移剛度Kx，其具體步驟如下(1)根據所需磁懸浮支承的裝置的指標要求設定轉子轉速n和最大承載力Fmax、根據功耗要求設定靜態懸浮電流i，根據現有加工水平設定氣隙長度δ、根據現有磁軸承控制器的要求設定磁軸承的位移剛度Kx、根據磁場分析設定漏磁系數σ、根據所選軸承體材料的磁化特性設定飽和磁密Bs；(2)根據轉子轉速n和材料強度確定推力盤內徑Dt2，考慮到氣隙邊緣效應確定軸向磁軸承內導磁環內徑Dnn；(3)令軸向磁軸承內導磁環截面積與外導磁環截面積相等，根據最大承載力Fmax和飽和磁密Bs確定該截面積A；(4)計算內導磁環外徑Dnw，也即永磁體外徑Dpm1；(5)根據氣隙長度δ確定永磁體軸向長度hpm、導磁軛厚度h以及槽口寬度Lc；(6)根據位移剛度Kx以及轉子重力G確定電流剛度Ki，由電流密度J以及靜態懸浮電流i確定線圈直徑dc；(7)由位移剛度Kx計算永磁體內徑Dpm2；(8)根據槽滿率要求確定外導磁環內徑Dwn，再由外導磁環截面積A計算外導磁環外徑Dww；(9)由電流剛度Ki確定線圈匝數N；(10)由磁路各部分磁密相等原則，確定軸承體長度L。
本發明的原理是本發明以軸向磁軸承的位移剛度入手進行設計，根據要求設定各個參數，通過軸向磁軸承的磁路分析與計算，即可得到磁軸承的其它結構尺寸。根據設定的轉子轉速n和材料強度可確定推力盤內徑Dt2，考慮到氣隙邊緣效應可確定軸向磁軸承內導磁環內徑Dnn為Dnn＝Dt2+δ (1)
令軸向磁軸承內導磁環截面積與外導磁環截面積相等，根據最大承載力Fmax和飽和磁密Bs由下式確定該截面積AA=Fmax·μ0Bs2...(2)]]>式中μ0＝4π×10-7H/m，為空氣的磁導率。
根據設定的定轉子之間的磁氣隙長度δ，可以得到永磁體軸向長度hpm、導磁軛厚度h以及槽口寬度Lc為hpm＝K1·δ (3)h＝K2·hpm(4)Lc＝K3·hpm(5)式中K1、K2、K3為常數，根據經驗取得。
由(1)式以及內導磁環內徑Dnn計算內導磁環外徑Dnw(即永磁體外徑Dpm1)為Dnw=4·Aπ+Dnn2...(6)]]>根據位移剛度Kx以及轉子重力G可得電流剛度KiKi=G-Kx·xi...(7)]]>式中x為靜態懸浮時轉子中心距離磁中心的偏移量。
由電流密度J以及靜態懸浮電流i確定線圈直徑dc為dc=4·iπ·J...(8)]]>然后根據國家標準取值。
由位移剛度Kx根據式(9)～(13)確定永磁體內徑Dpm2C1=11R1+1Rpm...(9)]]>
C2=1μ0·Aw+1μ0·An...(10)]]>C3＝(Rpm+R1)·δ·C2+Rpm·R1(11)Kx=-2·Fpm2·R12·(Rpm+R1)·C2μ0·σ2·C33(1An+1Aw)...(12)]]>式中An為內導磁環面積，Aw為外導磁環面積，且An＝Aw＝A，其中Fpm＝Hpm·hpm為永磁體的磁動勢，Hpm為永磁體的矯頑力，一般取為760kA/m～790kA/m；μpm為永磁體的相對磁導率，一般取為1.03～1.05，R1為第二氣隙的磁阻，為R1=δ1μ0·π·Dpm22-Dnn24...(13)]]>根據槽滿率要求確定外導磁環內徑Dwn，再由外導磁環截面積A計算外導磁環外徑Dww為Dww=4·Aπ+Dwn2...(14)]]>考慮到氣隙邊緣效應，可得到推力盤外徑Dt1為Dt1＝Dww+δ(15)由電流剛度Ki計算線圈匝數N為N=Ki·μ0·σ·C3·(δ·C2+C1)2·Fpm·R1·(1An+1Aw)...(16)]]>根據軸承體各個部分磁密基本相等的原則確定軸承體長度L為L=2·Aπ·(Dwn+Dnw)+Lc...(17)]]>推力盤軸向長度Lt同樣可根據軸承體各部分磁密基本相等的原則確定Lt=Aπ·Dt1+Dt22...(18)]]>至此，整個永磁偏置軸向磁軸承設計完畢。
本發明與現有技術相比的優點在于本發明由于采用以軸向磁軸承位移剛度為出發點的設計方法，與現有軸向磁軸承以永磁體最佳工作點為出發點的設計方法相比，更加利于控制，得到的結構參數更加合理。
圖1為本發明針對的永磁偏置軸向磁軸承結構圖；圖2為本發明的設計流程圖；圖3為按照本發明設計的永磁偏置軸向磁軸承定子組件實物圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的設計對象為一種磁懸浮飛輪用永磁偏置軸向磁軸承，圖中1為導磁軛，2為第二氣隙，3為永磁體，4為線圈，5為軸承體，6為軸承體(也稱為定子)與推力盤之間的磁氣隙，7為推力盤。根據現有磁軸承控制器的要求設定該軸向磁軸承的位移剛度Kx為-0.7N/um，根據現有加工水平設定氣隙長度δ取為0.25mm，為了使磁軸承電勵磁磁路經過第二氣隙構成回路而不經過永磁體，同時避免永磁體在第二氣隙損失過多的磁動勢，因而第二氣隙的長度應稍大于2倍氣隙長度，在此取第二氣隙δ1為0.6mm，根據該磁軸承的磁場分析設定漏磁系數σ為1.3，根據磁懸浮飛輪的指標要求設定最大承載力Fmax為1230N，轉子轉速n為5000r/min，根據磁懸浮飛輪的功耗要求設定靜態懸浮電流i為0.2A，該實施例中軸向磁軸承的軸承體以及導磁軛選用電工純鐵DT4，根據DT4的磁化曲線設定各導磁部分材料的飽和磁密Bs為1.2T，根據現有線圈的下線水平設定槽滿率為40％。由轉子轉速n以及材料強度設定推力盤內徑Dt2＝63mm，根據以上條件，由式(1)可得內導磁環內徑Dnn＝63.25mm。由式(2)可以得出軸向磁軸承定子內、外導磁環截面積A＝1100mm2，設K1＝10，K2＝1，K3＝4，由(3)～(5)式可得到永磁體軸向長度hpm＝2.5mm，導磁軛厚度h＝2.5mm，槽口寬度Lc＝10mm，由式(6)計算出內導磁環外徑Dnw＝73.9mm，由式(7)和(8)可得電流剛度Ki＝374.3N/A，線圈直徑dc＝0.35mm，由(9)～(13)式可以看出，很難得到由位移剛度Kx直接表示出的永磁體內徑Dpm2的表達式，為了計算出永磁體內徑Dpm2，本實施例中采用從大到小設定永磁體內徑Dpm2的值，代入位移剛度Kx表達式(12)，求出位移剛度Kx，當計算得到的Kx與給定值相差小于1％時，認為此時永磁體內徑的值Dpm2即為設計值。通過該方法可以計算出永磁體內徑Dpm2＝66.8mm，根據槽滿率要求確定外導磁環內徑Dwn＝95.9mm，由外導磁環截面積A根據式(14)計算外導磁環外徑Dww＝102.8mm，考慮氣隙邊緣效應，由式(15)可得推力盤外徑Dt1＝103.05mm，由式(16)可以計算出線圈匝數N＝355，根據軸承體各部分磁密基本相等原則由式(17)計算軸承體長度L＝14mm，由式(18)可得推力盤軸向長度為Lt＝4.2mm，至此，該永磁偏置軸向磁軸承設計完畢。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的
權利要求
1.一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，其特征在于該方法基于首先確定磁軸承的位移剛度Kx，其具體步驟如下(1)首先設定磁軸承的位移剛度Kx、轉子轉速n、氣隙長度δ、第二氣隙長度δ1、漏磁系數σ、最大承載力Fmax、靜態懸浮電流i以及鐵心的飽和磁密Bs；(2)根據轉子轉速n和材料強度確定推力盤內徑Dt2，考慮到氣隙邊緣效應確定軸向磁軸承內導磁環內徑Dnn；(3)令軸向磁軸承內導磁環截面積與外導磁環截面積相等，根據最大承載力Fmax和飽和磁密Bs確定該截面積A；(4)計算內導磁環外徑Dnw，也即永磁體外徑Dpm1；(5)根據氣隙長度δ確定永磁體軸向長度hpm、導磁軛厚度h以及槽口寬度Lc；(6)根據位移剛度Kx以及轉子重力G確定電流剛度Ki，由電流密度J以及靜態懸浮電流i確定線圈直徑dc；(7)由位移剛度Kx計算永磁體內徑Dpm2；(8)根據槽滿率要求確定外導磁環內徑Dwn，再由外導磁環截面積A計算外導磁環外徑Dww，考慮到氣隙的邊緣效應確定推力盤外徑Dt1；(9)由電流剛度Ki確定線圈匝數N；(10)由磁路各部分磁密相等原則，確定軸承體長度L以及推力盤軸向長度Lt。
2.根據權利要求1所述的一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，其特征在于所述的氣隙長度δ取為0.15～0.35mm。
3.根據權利要求1所述的一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，其特征在于所述的第二氣隙長度δ1大于2倍氣隙長度δ，取為0.4～1mm。
4.根據權利要求1所述的一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，其特征在于所述的位移剛度取值范圍由控制器決定，取為-0.5N/um～-2N/um。
5.根據權利要求1所述的一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，其特征在于所述的漏磁系數σ取為1.1～3。
6.根據權利要求1所述的一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，其特征在于所述的槽滿率取為40％～60％。
全文摘要
一種永磁偏置軸向磁軸承的設計方法，該方法以軸向磁軸承的位移剛度為出發點，以最大承載力、飽和磁密、槽滿率為約束條件進行磁軸承設計，與現有的以永磁體最佳工作點為目標的軸向磁軸承設計方法相比，該方法更有利于磁軸承的控制，并且得到的永磁體大小更加合理，該方法準確度高，簡單可行，其設計思想可用于各類永磁偏置軸向磁軸承的設計。
文檔編號F16C32/04GK1945037SQ200610114270
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月3日 優先權日2006年11月3日
發明者房建成, 孫津濟, 王曦, 楊磊 申請人:北京航空航天大學