CN116771794B - 一种三自由度全直流混合磁轴承及永磁体参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度全直流混合磁轴承及永磁体参数设计方法，包括轴向、径向定子铁心、转子铁心、铝环、立方体形永磁体、轴向、径向悬浮绕组和转轴。径向定子铁心内圆周均布4个极，通过铝环与轴向定子铁心连接为整体，在铝环中均匀***k个立方体形永磁体，轴向、径向悬浮绕组均由直流开关功放驱动。选择永磁、铁心材料和气隙长度，确定永磁体工作点参数H_m和B_m，分析等效偏置磁路，确定径向、轴向磁极面积S_r、S_z，计算出偏置磁路总磁通和立方体形永磁体提供的总磁通，进一步求出S_m、l_m。与现有技术相比，本发明采用多块立方体形永磁体提供偏置磁通，易于加工，价格便宜，降低混合磁轴承成本，提高材料的利用率，且便于安装，漏磁小。

Description

一种三自由度全直流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，特指一种三自由度全直流混合磁轴承及永磁体参数设计方法，可用于电机转子的无接触悬浮支承。

背景技术

磁悬浮轴承是利用电磁力实现电机转子悬浮运行，因此，采用磁轴承支承电机转子具有无摩擦、无磨损，易于实现电机高速大功率运行，在高速电机领域具有广泛的应用价值。

磁悬浮轴承按照受控自由度可分为轴向单自由度、径向两自由度和径向-轴向三自由度混合磁轴承三种，特别是三自由度混合磁轴承实现了径向和轴向悬浮功能集成化，采用三自由度混合磁轴承支承电机转子会提高电机临界转速、悬浮力密度和转矩密度。与三自由度混合磁轴承相关的发明专利(CN201410461449.8、CN202111389726.5、CN201610113774.4、CN202010980971.2、CN200810155044.6、CN200810234283.0、CN201710284370.6)等，上述发明专利方案都是采用薄环形永磁体提供偏置磁通，薄环形永磁体加工充磁困难，价格高，安装困难，对于大悬浮力磁悬浮轴承所需永磁环的内径更大，制造这种大内径的薄永磁环无法实现。因此，本发明提出一种用k块立方体形永磁体代替环形永磁体的三自由度混合磁轴承永磁体参数设计方法。具有永磁体加工容易，价格便宜，降低磁轴承成本，提高材料的利用率，且便于安装、漏磁小。

发明内容

发明目的：本发明提供一种三自由度全直流混合磁轴承及参数设计方法，用开有k个沿内圆周均匀分布的立方体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***k块立方体形永磁体，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：本发明公开了一种三自由度全直流混合磁轴承，包括同轴设置的转子铁心、转轴、轴向定子铁心、径向定子铁心，所述轴向定子铁心套设在所述转轴上，且其内套有径向定子铁心，径向定子铁心内套有转子铁心，所述转子铁心套在转轴上，所述径向定子铁心內周设有4个极，在其上绕制径向线圈，轴向线圈设在轴向定子铁心的内侧，X方向和Y方向的两个径向线圈分别同向串联为X方向和Y方向径向悬浮绕组，两侧的轴向线圈(8)同向串联为轴向悬浮绕组，径向悬浮绕组、轴向悬浮绕组均采用直流开关功放驱动，还包括铝环，所述铝环为“H”形，径向定子铁心通过“H”形铝环与轴向定子铁心连接为整体，在铝环中沿圆周均匀设有k个立方体形内槽，内槽中***立方体形永磁体，所述永磁体的块数k＝j×4，j为自然数，立方体形永磁体为径向充磁，充磁方向长度为l_m，磁化面积为S_m；轴向定子铁心、径向定子铁心分别与转子铁心间存在轴向和径向气隙。

进一步地，与立方体形永磁体相连接的轴向定子铁心和径向定子铁心的部分为平面，其余部分为圆弧面。

进一步地，所述立方体形永磁体充磁方向的外侧极性相同。

进一步地，所述轴向磁极面积S_z与径向磁极面积S_r满足S_z＝2S_r，S_r为径向单个磁极面积。

本发明还公开一种基于上述三自由度全直流混合磁轴承的永磁体参数设计方法，具体步骤如下：

步骤1：选择材料、轴向和径向气隙g_r、g_z，确定气隙饱和磁感应强度B_s，忽略漏磁和铁心磁阻，并假设磁路不饱和，转子处于定子三自由度中心位置，根据等效磁路图，求出径向气隙磁导R_r和轴向气隙磁导R_z：

综合考虑绕组空间、铁心厚度因素，确定磁极面积S_z和S_r，求出能够产生的最大悬浮力F_rmax和F_zmax，F_zmax＝2F_rmax：

步骤2：每块永磁体提供的磁通为：Φ_km＝B_mS_m，B_m为永磁体工作点的工作磁密，B_m取永磁体剩余磁密B_r的一半，S_m为磁化面积；

步骤3：所需总偏置磁通为：Φ_m＝0.5B_sS_r×4；

步骤4：让k块永磁体产生的总磁通等于所需总偏置磁通，即可求出S_m：

步骤5：所需磁动势：kH_ml_m/(0.25R_r+0.5R_z)＝2B_sS_r，求出永磁体充磁方向长度l_m，其中H_m为工作点的矫顽力，取永磁体矫顽力H_c的一半；

步骤5：径向绕组安匝数：

步骤6：轴向绕组安匝数：

有益效果：

本发明通过用k块沿内圆周均匀分布的立方体形永磁体代替以往的薄永磁环结构，只需要在槽中***立方体形永磁体，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，按照所述的设计方法可以设计出轴向和径向悬浮力均达到最大值的三自由度混合磁轴承。

附图说明

图1为本发明三自由度全直流混合磁轴承轴向剖分图；

图2为本发明轴向剖分A-A视图与绕组连接图；

图3为本发明轴向剖分B-B视图与径向偏置磁路图；

图4为本发明轴向剖分B-B视图与径向Y方向控制磁路图。

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1-3所示，本发明公开了一种三自由度全直流混合磁轴承及永磁体参数设计方法，该结构包括定子铁心、转子铁心和悬浮绕组，在定转子铁心之间存在轴向和径向气隙。具体结构包括轴向定子铁心1、径向定子铁心2、转子铁心3、铝环4、立方体形永磁体5、转轴6、径向线圈7、轴向线圈8。轴向定子铁心1套设在所述转轴6上，且其内套有径向定子铁心2，径向定子铁心2内套有转子铁心3，转子铁心3套在转轴6上。

径向定子铁心2內周设有4个极，在其上绕制径向线圈7，轴向线圈8设在轴向定子铁心1的内侧，X方向和Y方向的两个径向线圈7分别同向串联为X方向和Y方向径向悬浮绕组，两侧的轴向线圈8同向串联为轴向悬浮绕组，三个悬浮绕组均采用直流开关功放驱动。

铝环4为H形，径向定子铁心2通过“H”形铝环4与轴向定子铁心1连接为整体。在铝环4中均匀设有k个立方体形内槽，槽中***立方体形永磁体5，为保证磁通分别对称，永磁体的块数k＝j×4，j为自然数，立方体形永磁体5为径向充磁，充磁方向长度为l_m，磁化面积为S_m。与立方体形永磁体5相连接的轴向定子铁心1和径向定子铁心2的部分为平面，其余部分为圆弧面。立方体形永磁体5外侧极性相同，轴向磁极面积S_z与径向磁极面积S_r满足：S_z＝2S_r,S_r为径向单个磁极面积。

偏置磁通12有k个立方体形永磁体5共同产生，分别从k个立方体形永磁体5的N极出发，经过径向定子铁心2，径向气隙、转子铁心3、轴向气隙与轴向定子铁心1，回到k个立方体形永磁体5的S极。参见图1和图3。

轴向控制磁通11由轴向悬浮绕组产生，在轴向定子铁心1和转子铁心3两侧轴向气隙中形成闭合路径。参见图1。

将4个极上的绕组上下、左右(X1、X2、Y1、Y2)分别串联后由两个直流开关功放驱动，分别产生X和Y方向的径向控制磁通13，径向控制磁通13经过径向定子铁心2，转子铁心3、转子铁心3两侧的径向气隙以及四个极的连接部分形成闭合路径。参见图4。

立方体形永磁体5的块数k＝j×4，j为自然数，偏置磁通12是从k块矩形永磁体5的N极流出，经过轴向定子铁心1、轴向气隙9、转子铁心3、径向气隙10和径向定子铁心2回到S极后形成闭合回路；四个极上的径向线圈上下和左右分别同向串联为X方向和Y方向径向悬浮绕组后由两个开关功放驱动，左右轴向线圈同向串联为轴向悬浮绕组由一个开关功放驱动。

针对上述结构的永磁体参数设计方法是：选择永磁材料、铁心和气隙长度，分析等效偏置磁路，综合考虑轴向和径向定子铁心尺寸、绕组空间，确定径向磁极面积S_r和轴向磁极面积S_z，计算出偏置磁路总磁通，确定永磁体工作点参数H_m和B_m，再计算出k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提供的磁动势F_m，最终求出每个永磁体参数l_m和S_m。

具体步骤如下：

步骤1：选择材料、轴向和径向气隙g_r、g_z，忽略漏磁和铁心磁阻，确定气隙饱和磁感应强度B_s，并假设磁路不饱和，转子处于定子三自由度中心位置，根据等效磁路分析，可以得到径向和轴向气隙磁阻为：

综合考虑铁心厚度与绕组空间，确定磁极面积S_z和S_r：S_z＝2S，求出能够产生的最大悬浮力F_rmax和F_zmax，F_zmax＝2F_rmax：

步骤2：每块永磁体提供的磁通为：Φ_km＝B_mS_m，B_m为永磁体工作点的工作磁密，B_m取永磁体剩余磁密B_r的一半，S_m为磁化面积；

步骤3：所需总偏置磁通为：Φ_m＝0.5B_sS_r×4。

步骤4：让k块永磁体产生的总磁通等于所需总偏置磁通，即可求出S_m：

步骤5：所需磁动势：kH_ml_m/(0.25R_r+0.5R_z)＝2B_sS_r，求出永磁体充磁方向长度l_m，其中H_m为工作点的矫顽力，取永磁体矫顽力H_c的一半。

步骤6：径向线圈安匝数：

步骤7：轴向线圈安匝数：

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 (1)

1.一种三自由度全直流混合磁轴承的永磁体参数设计方法，其特征在于，三自由度全直流混合磁轴承，包括同轴设置的转子铁心(3)、转轴(6)、轴向定子铁心(1)、径向定子铁心(2)，所述轴向定子铁心(1)套设在所述转轴(6)上，且其内套有径向定子铁心(2)，径向定子铁心(2)内套有转子铁心(3)，所述转子铁心(3)套在转轴(6)上，所述径向定子铁心(2)內周设有4个极，在其上绕制径向线圈(7)，轴向线圈(8)设在轴向定子铁心(1)的内侧，X方向和Y方向的两个径向线圈分别同向串联为X方向和Y方向径向悬浮绕组，两侧的轴向线圈(8)同向串联为轴向悬浮绕组，三个悬浮绕组均采用直流开关功放驱动，其特征在于，还包括铝环(4)，所述铝环(4)为“H”形，径向定子铁心(2)通过“H”形铝环(4)与轴向定子铁心(1)连接为整体，在铝环(4)中沿圆周均匀设有k个立方体形内槽，内槽中***立方体形永磁体(5)，所述永磁体的块数k＝j×4，j为自然数，立方体形永磁体(5)为径向充磁，充磁方向长度为l_m，磁化面积为S_m；轴向定子铁心(1)、径向定子铁心(2)分别与转子铁心(3)间存在轴向和径向气隙；

与立方体形永磁体(5)相连接的轴向定子铁心(1)和径向定子铁心(2)的部分为平面，其余部分为圆弧面；

所述立方体形永磁体(5)充磁方向的外侧极性相同；

所述轴向磁极面积S_z与径向磁极面积S_r满足S_z＝2S_r，S_r为径向单个磁极面积；

永磁体参数设计方法具体步骤如下：

步骤1：选择材料、轴向和径向气隙g_r、g_z，确定气隙饱和磁感应强度B_s，忽略漏磁和铁心磁阻，并假设磁路不饱和，转子处于定子三自由度中心位置，根据等效磁路图，求出径向气隙磁导R_r和轴向气隙磁导R_z：

综合考虑绕组空间、铁心厚度因素，确定磁极面积S_z和S_r，求出能够产生的最大悬浮力F_rmax和F_zmax，F_zmax＝2F_rmax：

步骤2：每块永磁体提供的磁通为：Φ_km＝B_mS_m，B_m为永磁体工作点的工作磁密，B_m取永磁体剩余磁密B_r的一半，S_m为磁化面积；

步骤3：所需总偏置磁通为：Φ_m＝0.5B_sS_r×4；

步骤4：让k块永磁体产生的总磁通等于所需总偏置磁通，即可求出S_m：

步骤5：所需磁动势：kH_ml_m/(0.25R_r+0.5R_z)＝2B_sS_r，求出永磁体充磁方向长度l_m，其中H_m为工作点的矫顽力，取永磁体矫顽力H_c的一半；

步骤6：径向线圈安匝数：

步骤7：轴向线圈安匝数：