磁悬浮轴承机械系统的设计

2、磁悬浮轴承机械系统的设计2.1 磁悬浮轴承的结构及材料 由于磁力是控制电流和气隙的非线性函数，即在一个自由度上采用一对电磁铁，这样可以使磁力在平衡位置处能转化为控制电流和气隙的线性函数。由于转子不仅会沿Y 轴上下运动，而且还会沿X轴水平运动，因此，在水平方向上也要设置一对差动电磁铁，如图2所示。该图是一个实际的径向磁悬浮轴承的结构，称为8极布置的磁悬浮轴承结构。当转子直径较大时，常采用16极布置结构以减小外径。电磁悬浮轴承材料应具有磁性好的特点（主要指磁感应强度曲线的曲线范围大，包围的面积小）。常采用导磁性能优良的软磁材料，一般希望材料具有较高的饱和磁感应强度、较高的相对磁导率和良好的加工性能。这样可以提高磁悬浮轴承的承载力并减小涡流损耗。当电磁悬浮轴承支撑高速回转轴时，其转子轴材料还应具有强度高的特点。电磁悬浮轴承定子的材料通常采用薄硅钢片和铁钴合金等，转子材料常采用电工纯铁、10#钢，也可硅钢片叠合而成。为了减小涡流损耗，径向磁悬浮轴承往往采用叠片结构。而推力磁悬浮轴承通常采用整体结构。图2 径向磁悬浮轴承结构简图2.2 磁悬浮轴承系统的结构布置形式图3是本文所研究的主动磁悬浮轴承的总体结构简图。为了进一步减少涡流损耗，在轴径处，转子也采用叠片结构，叠片材料为软磁材料。推力盘采用铁磁材料，在旋转时，推力盘各部分都是同极性地进行励磁，涡流损失小，没有必要采用采用叠片结构，通常采用整体结构。由于磁悬浮轴承系统常用在高速或超高速场合，一般不要驱动环节，而采用装入式电机，即将电机的转子和轴承的转子固定在同一个轴上。磁悬浮轴承系统还要配备一对滚动轴承作为辅助轴承。磁悬浮轴承工作时，辅助轴承不与转子接触。当突然断电或磁悬浮轴承失控时，辅助轴承工作，临时支承高速转子，防止转子与电机和磁悬浮轴承的转子相碰，起安全保护作用。一般采用深沟球轴承，辅助轴承与转子间的间隙通常为磁悬浮轴承气隙的1/2。2.3 电磁铁的设计关于磁悬浮轴承，规定如下的符号：A- 磁极的截面面积（m2）D- 转子的内径（m）d- 转子的外径（m）0- 气隙，0=（D-d）/2b - -磁悬浮轴承的轴向长度（m）B0 -气隙处的磁感应强度 T（特斯拉）BS- 饱和磁感应强度(T)I - 绕组的励磁电流(A)，I=I0+ i 。其中I0 是偏磁电流，它是固定的常数； i 是控制电流；“+”或“-”号由控制器自动控制确定I0- 偏磁电流N- 单个磁极励磁线圈的匝数图3 主动磁悬浮轴承的总体结构简图电磁铁的设计涉及到有关磁路的计算。由于磁性材料的磁特性一般呈非线性特性，磁路的计算不是很精确。为了简化计算，做如下假设：（1）铁芯和气隙处的磁场是均匀分布的（2）铁磁材料不呈饱和特性（3）不考虑漏磁和磁滞的影响当气隙0 很小时，上述假设能够很好的得到满足。由麦克斯韦吸力公式可得单自由度磁悬浮轴承的承载力为5：F=F1-F2=A（B12-B22）/µ0 （21）当B1=BS，B2=0时,最大承载力为5： Fmax=ABs2/µ0 (22) 单位面积的最大承载力为Fmax/A= Bs2/µ0一般的硅铁材料,建议取 Bs =1.5T, 对8极布置的径向磁悬浮轴承,如=/8,A=db/16,由于磁力与y轴的夹角为=/8,因此径向磁悬浮轴承在单位轴承投影面积上的最大承载力为: (23)2.4 初始参数的选择（1） 电磁悬浮轴承材料的选择根据前面所述，电磁悬浮轴承的定子拟采用薄硅钢片和铁钴合金等制成，转子采用硅钢片叠合而成。（2） 气隙0的选择电磁悬浮轴承的吸引力与电磁悬浮轴承的气隙、磁感应强度以及有效磁面积有关。磁感应强度和有效磁面积确定后，吸引力与气隙平方在没有达到磁饱和的区域内成反比。如果选择的轴承气隙过大，则需要增加磁感应强度或有效磁面积，这样会增大轴承结构尺寸和功放输出电流；如果选择的间隙过小，则又会对控制系统提出过高的要求。综合以上因素，在设计中一般选取0为轴承直径的5左右。在本文中该值为已知值，其值为0=0.3mm。（3） 转子外径的大小根据2的论述，综合各方面情况，转子外径d=60mm。（4） 转子的质量该质量为已知，m=10kg。（5） 定子的内径由于气隙0=（D-d）/2,而0和d已知，故D=60.6mm.。（6） 电磁悬浮轴承磁极数电磁悬浮轴承的磁极数对其承载力、功耗和控制系统的设计都有影响。在实际设表2 选取磁极数的经验公式转子外径/mm060608080200>200磁极数8162432计过程中，主要考虑定子制造时使用的相应电机的定子制造工艺的情况，根据转子的外径d按表2选取。故根据此表，选择为8极的结构。（7） 磁悬浮轴承的轴向长度b(mm)考虑各方面的情况，根据已知，设定b=80mm。（8） 磁极的截面面积A (mm2)考虑各方面的情况，根据已知， 设定 A=1600mm2。（9） 偏磁电流I0和线圈匝数已知 I0=1.1A ，可计算出线圈匝数为174匝。（10）气隙0处的磁感应强度B0根据文献5所述，在设计中一般取B0=Bs/2。由于一般硅铁材料的饱和磁感应强度Bs=1.5T，因此设计时常取B0=0.60.8T。