CN100366930C - 一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，该方法以永磁偏置内转子径向磁轴承的位移刚度为出发点，以最大承载力、饱和磁密、槽满率为约束条件进行磁轴承设计，与现有的以永磁体最佳工作点为目标的磁轴承设计方法相比，该方法更有利于磁轴承的控制，并且得到的永磁体大小更加合理，该方法准确度高，简单可行，其设计思想可用于各类永磁偏置内转子径向磁轴承的设计。

Description

一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法

技术领域

本发明涉及一种非接触磁悬浮轴承的设计方法，特别是一种磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺等需要磁悬浮支承的装置用永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，其设计思想可作为各类永磁偏置内转子径向磁轴承的设计。

背景技术

磁悬浮轴承分纯电磁式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者使用电流大、功耗大，永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，永磁体产生的磁场承担主要的承载力，电磁磁场提供辅助的调节承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。常用的磁轴承控制方式采用的是传统的PID控制方式，实现该种方式的控制器参数由轴承刚度与阻尼来确定，经过大量实践证明，为使得磁轴承具有优良的特性，应使轴承刚度与其位移刚度在同一个数量级上，因此磁轴承的位移刚度对于磁轴承的控制而言至关重要。现有的磁轴承设计方法均利用永磁体最佳工作点进行设计，目的是使永磁体体积最小，但是通过这种方法计算得到的永磁体尺寸将会很小，加工会很困难，而且该种方法没有考虑位移刚度对控制系统的影响，因而现有设计方法存在准确度差且不利于控制的缺陷。这里需要说明的是，内转子磁轴承与外转子磁轴承设计思路是不同的，对于内转子结构，其思路是先设计磁轴承转子组件，然后设计定子组件(包括永磁体)；对于外转子磁轴承，先设计磁轴承定子组件，再设计磁轴承转子组件(包括永磁体)，而且不同结构的内转子径向磁轴承与外转子磁轴承，其磁路结构是完全不同的，因而不能简单的将外转子磁轴承的设计方法套用于内转子磁轴承的设计。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法。

本发明的技术解决方案是：一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，需要确定：定子铁心外径D_s1(即永磁体内径D_pm2)、定子铁心内径D_s2、定子齿外径D_st、定子铁心宽度b_s、定子铁心轴向长度L_sfe、转子铁心外径D_r1、转子铁心内径D_r2、转子铁心轴向长度L_rfe、永磁体外径D_pm1、永磁体轴向长度h_pm、槽口宽度L_c以及线圈匝数N，

其特点在于：该方法基于磁轴承的位移刚度，其具体步骤如下：

(1)根据所需磁悬浮支承的装置的指标要求设定转子转速n和最大承载力F_max、根据功耗要求设定静态悬浮电流i，根据现有加工水平设定气隙长度δ以及叠片系数K_fe、根据现有磁轴承控制器的要求设定磁轴承的位移刚度K_x、根据磁场分析设定漏磁系数σ、根据所选铁心材料的磁化特性设定铁心的饱和磁密B_s；

(2)根据转子转速n以及材料的强度确定转子轴外径D_n；

(3)根据最大承载力F_max、饱和磁密B_s以及叠片系数K_fe确定定子铁心截面积A；

(4)根据实际要求确定定子铁心宽度b_s与定子铁心轴向长度L_sfe的比例关系，进而确定定子铁心宽度b_s、定子铁心轴向长度L_sfe以及转子铁心轴向长度L_rfe；

(5)由磁路分析，合理分配定、转子铁心各部分磁密，计算转子铁心内径D_r2、外径D_r1以及定子铁心轭部高度h_sfe，进而确定定子铁心内径D_s2；

(6)根据定转子之间的磁气隙长度δ，确定永磁体轴向长度h_pm以及槽口宽度L_c；

(7)根据位移刚度K_x以及转子重力G确定电流刚度K_i，由电流密度J以及静态悬浮电流i确定线圈导线的直径d_c；

(8)根据槽满率要求确定定子齿外径D_st，再由定子铁心轭部高度h_sfe可确定出定子铁心外径D_s1，也即永磁体内径D_pm2；

(9)根据位移刚度K_x确定出永磁体外径D_pm1，根据电流刚度K_i确定线圈匝数N。

所述的位移刚度取值范围由控制器决定，取为-0.5N/um～-3N/um；所述的气隙长度δ取为0.15～0.35mm；所述的漏磁系数σ取为1.1～3；所述的叠片系数K_fe是通过实际定子或转子铁心重量与其理论计算值的比值得到，取为0.75～0.95；所述的定子铁心宽度b_s与定子铁心轴向长度L_sfe的比例关系由实际要求确定，若磁轴承要求轴向长度短，则该比例值取为4～6，否则该比例值取为1～3；所述的槽满率取为40％～60％。

本发明的原理是：本发明以径向磁轴承的位移刚度入手进行设计，根据要求设定各个参数，通过该种磁轴承的磁路分析与计算，即可得到磁轴承的其它结构尺寸。根据设定的转子转速n以及材料的强度要求可以得到转子轴外径D_n，根据最大承载力F_max、饱和磁密B_s以及叠片系数K_fe由下式确定定子铁心截面积A。

$A=\frac{F_{\max }\·{\mathrm{\μ}}_0}{B_s^2\·K_{\mathrm{fe}}}---\left(1\right)$

式中μ₀＝4π×10^-7H/m，为空气的磁导率。

设定子铁心宽度b_s与定子铁心轴向长度L_sfe的比值为C，则定子铁心宽度b_s和定子铁心轴向长度L_sfe为：

$L_{\mathrm{sfe}}=\sqrt{\frac{A}{C}}---\left(2\right)$

b_s＝C·L_sfe    (3)

为了避免由于定、转子铁心轴线不对中引起的磁拉力，可取转子铁心轴向长度L_rfe为：

L_rfe＝1.15·L_sfe    (4)

根据磁路分析，合理分配定、转子铁心各部分磁密，计算转子铁心内径D_r2、外径D_r1以及定子铁心轭部高度h_sfe为：

$D_{r2}=\sqrt{\frac{4\·A}{\mathrm{\π}}+D_n^2}---\left(5\right)$

$D_{r1}=D_{r2}+\frac{A}{2\·L_{\mathrm{rfe}}}---\left(6\right)$

$h_{\mathrm{sfe}}=\frac{A}{2\·L_{\mathrm{sfe}}}---\left(7\right)$

进而可得定子铁心内径D_s2为：

D_s2＝D_r1+2·δ    (8)

根据设定的定转子之间的磁气隙长度δ，可以得到永磁体轴向长度h_pm以及槽口宽度L_c为：

h_pm＝K₁·δ    (9)

L_c＝K₂·h_pm    (10)

式中K₁、K₂为常数，根据经验取值。

根据位移刚度K_x以及转子重力G可得电流刚度K_i：

$K_i=\frac{G/2-K_x\·x}{i}---\left(11\right)$

式中x为静态悬浮时转子中心距离磁中心的偏移量。

由电流密度J以及静态悬浮电流i确定线圈导线的直径d_c为：

$d_c=\sqrt{\frac{4\·i}{\mathrm{\π}\·J}}---\left(12\right)$

然后根据国家标准取值。

根据槽满率要求确定定子齿外径D_st，再由定子铁心轭部高度h_sfe可确定出定子铁心外径D_s1，也即永磁体内径D_pm2为：

D_s1＝D_st+2·h_sfe    (13)

之后再根据位移刚度K_x确定出永磁体外径D_pm1为：

$D_{\mathrm{pm}1}=\sqrt{\frac{2\·{\mathrm{\μ}}_0\·A\·h_{\mathrm{pm}}}{(\frac{1}{\sqrt{C1}}-\mathrm{\δ})\·{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{pm}}}\·\frac{4}{\mathrm{\π}}+D_{\mathrm{pm}2}^2}---\left(14\right)$

式中：

$\mathrm{Cl}=\frac{-K_x\·{\mathrm{\σ}}^2\·\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\μ}}_0\·A\·F_{\mathrm{pm}}^2}---\left(15\right)$

其中F_pm＝H_pm·h_pm为永磁体的磁动势，H_pm为永磁体的矫顽力，一般取为760kA/m～790kA/m；μ_pm为永磁体的相对磁导率，一般取为1.03～1.05。

根据电流刚度K_i可以求得线圈匝数N为：

$N=\frac{K_i\·\mathrm{\σ}\·\mathrm{\δ}\·(2\·R_{\mathrm{pm}}\·{\mathrm{\μ}}_0\·A+\mathrm{\δ})}{2\·F_{\mathrm{pm}}\·{\mathrm{\μ}}_0\·A}---\left(16\right)$

式中：R_pm为永磁体磁阻，

$R_{\mathrm{pm}}=\frac{h_m}{{\mathrm{\μ}}_0{\·\mathrm{\μ}}_{\mathrm{pm}}\·\frac{\mathrm{\π}}{4}\·(D_{\mathrm{pm}1}^2-D_{\mathrm{pm}2}^2)}.$

至此，整个永磁偏置内转子径向磁轴承设计完毕。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用以径向磁轴承位移刚度为出发点的设计方法，与现有内转子径向磁轴承以永磁体最佳工作点为出发点的设计方法相比，更加利于控制，得到的参数更加合理。

附图说明

图1为本发明针对的永磁偏置内转子径向磁轴承的结构图；

图2为本发明的设计流程图；

图3为按照本发明设计出的永磁偏置内转子径向磁轴承实物图，其中(a)为内转子径向磁轴承的定子组件，(b)为内转子径向磁轴承的转子组件。

具体实施方式

如图1所示，本发明的设计对象为一种磁悬浮控制力矩陀螺用永磁偏置内转子径向磁轴承，图中1为转子导磁环，2为转子铁心，3为定转子之间的磁气隙，4为定子铁心，5为定子导磁环，6为永磁体，7为线圈。根据现有磁轴承控制器的要求设定磁轴承的位移刚度K_x为-1N/um，根据磁悬浮控制力矩陀螺的指标要求设定转子转速n取为20000r/min，根据材料强度设定转子轴外径D_n为28mm。根据现有加工水平设定气隙长度δ取为0.2mm，叠片系数K_fe为0.85，根据该磁轴承的磁场分析设定漏磁系数σ为1.3，根据磁悬浮控制力矩陀螺的指标要求设定最大承载力F_max为178N，根据磁悬浮控制力矩陀螺的功耗要求设定静态悬浮电流i为0.2A，该实施例中磁轴承的定、转子铁心选用铁镍系软磁合金0.1mm厚的1J50，根据1J50的磁化曲线设定饱和磁密B_s为1.2T。根据现有线圈的下线水平设定定子槽满率为40％。

根据以上条件，由(1)式可以计算出定子铁心截面积A＝371.8mm²，设定子铁心宽度b_s与定子铁心轴向长度L_sfe的比值C＝2，则由式(2)和(3)可以得出定子铁心宽度b_s＝26mm，定子铁心轴向长度L_sfe＝13mm，由式(4)可得转子铁心轴向长度L_rfe＝15mm，由式(5)、(6)和(7)可以得到转子铁心内径D_r2＝35.5mm，外径D_r1＝60mm，定子铁心轭部高度h_sfe＝14.3mm，由式(8)可得定子铁心内径D_s2＝60.4mm，设定参数K₁＝30，K₂＝2，由式(9)和(10)可得永磁体轴向长度h_pm＝6mm，槽口宽度L_c＝12mm，考虑到一般磁轴承静态悬浮后转子中心距离磁中心的偏移量x＝0.1mm，由(11)可得电流刚度K_i＝397.6N/A，由式(12)可得线圈导线的直径d_c＝0.356mm，取为0.35mm，根据设定的槽满率通过程序循环后可得定子齿外径D_st＝71.5mm，由式(13)可得定子铁心外径D_s1＝100mm，由式(14)可得永磁体外径D_pm1＝105mm，由式(16)可得线圈匝数N＝130匝。至此，该永磁偏置内转子径向磁轴承设计完毕。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，其特征在于：该方法基于磁轴承的位移刚度，其具体步骤如下：

(1)设定磁轴承的位移刚度K_x、转子转速n、气隙长度δ、漏磁系数σ、叠片系数K_fe、最大承载力F_max、静态悬浮电流i以及铁心的饱和磁密B_s；

(2)根据转子转速n以及材料的强度确定转子轴外径D_n；

(3)根据最大承载力F_max、饱和磁密B_s以及叠片系数K_fe确定定子铁心截面积A；

(4)根据实际要求确定定子铁心宽度b_s与定子铁心轴向长度L_sfe的比例关系，进而确定定子铁心宽度b_s、定子铁心轴向长度L_sfe以及转子铁心轴向长度L_rfe；

(5)由磁路分析，分配定、转子铁心各部分磁密，计算转子铁心内径D_r2、外径D_r1以及定子铁心轭部高度h_sfe，进而确定定子铁心内径D_s2；

(6)根据定转子之间的磁气隙长度δ，确定永磁体轴向长度h_pm以及槽口宽度L_c；

(7)根据位移刚度K_x以及转子重力G确定电流刚度K_i，由电流密度J以及静态悬浮电流i确定线圈导线的直径d_c；

(8)根据槽满率要求确定定子齿外径D_st，再由定子铁心轭部高度h_sfe可确定出定子铁心外径D_s1，也即永磁体内径D_pm2；

(9)根据位移刚度K_x确定出永磁体外径D_pm1，根据电流刚度K_i确定线圈匝数N。

2.根据权利要求1所述的一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的位移刚度取值范围由控制器决定，取为-0.5N/um～-3N/um。

3.根据权利要求1所述的一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的气隙长度δ取为0.15～0.35mm。

4.根据权利要求1所述的一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的漏磁系数σ取为1.1～3。

5.根据权利要求1所述的一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的叠片系数K_fe是通过实际定子或转子铁心重量与其理论计算值的比值得到，取为0.75～0.95。

6.根据权利要求1所述的一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的定子铁心宽度b_s与定子铁心轴向长度L_sfe的比例关系由实际要求确定，若磁轴承要求轴向长度短，则该比例值取为4～6，否则该比例值取为1～3。

7.根据权利要求1所述的一种永磁偏置内转子径向磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的槽满率取为40％～60％。

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