許貞俊

(貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

0 引言

由于大容量高儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)中飛輪轉(zhuǎn)子具有質(zhì)量大的特點(diǎn)，為了穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)懸浮，同時(shí)又要降低損耗，需要設(shè)計(jì)一種既能卸重又能在受到干擾時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)子狀態(tài)的磁軸承[1-3]。本文提出了一種截面形狀為梯形的永磁偏置混合磁軸承的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析優(yōu)化，結(jié)合25 kWh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)承載約1200 kg的混合軸向磁軸承永磁體的設(shè)計(jì)。

1 混合磁軸承工作原理

軸向混合磁力軸承在正常工作時(shí)電磁線圈不工作，此時(shí)永磁體將飛輪的轉(zhuǎn)子重量卸載。當(dāng)外部有干擾時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生偏移，隨之工作氣隙會(huì)產(chǎn)生變化，為保證轉(zhuǎn)子處于平衡位置，飛輪控制系統(tǒng)會(huì)給電磁線圈通一定電流進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)子回到平衡狀態(tài)后，軸向混合磁力軸承恢復(fù)正常工作。如圖1所示混合磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖給出了永磁磁路和電磁磁路，虛線為電磁磁路，細(xì)實(shí)線為永磁磁路，粗實(shí)線為總磁路。永磁磁路經(jīng)永磁體N極-導(dǎo)磁環(huán)-外環(huán)工作氣隙-轉(zhuǎn)子推力盤-內(nèi)環(huán)工作氣隙-定子腔-永磁體S極形成閉合回路。

圖1 混合磁軸承的結(jié)構(gòu)示意圖

2 混合磁軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混合磁軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括基本尺寸的計(jì)算、永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及氣隙的選取。

2.1 混合磁軸承基本尺寸的計(jì)算

已知空氣磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m，平衡位置氣隙g取2.5 mm，氣隙處平均磁密取為0.5 T，處于平衡位置時(shí)要求承載力F為12000 N。根據(jù)麥克斯韋電磁學(xué)原理，不考慮漏磁時(shí)，承載力F滿足如下關(guān)系式[4-6]：

(1)

式中：F為承載力，單位N；Φ為通過(guò)磁極間的磁通，單位Wb；A為氣隙處的總磁極面積，單位m2。氣隙處的總磁極面積A為：

(2)

考慮漏磁影響，設(shè)漏磁系數(shù)為Kσ=1.4，則

(3)

取內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)的面積Ain為0.01508 m2，取內(nèi)導(dǎo)磁環(huán)的內(nèi)徑d1為142 mm，則其外徑d2為：

(4)

取外導(dǎo)磁環(huán)的面積Aout為0.069368 m2，則外磁環(huán)外徑d4為：

(5)

現(xiàn)取外磁環(huán)外徑d4為440 mm，實(shí)際內(nèi)環(huán)截面積Ain和實(shí)際外環(huán)截面積Aout分別為：

(6)

(7)

實(shí)際磁極總面積A為：

A=Ain+Aout=0.0868305 m2

(8)

實(shí)際氣隙磁密B為：

(9)

2.2 磁力軸承永磁體設(shè)計(jì)及優(yōu)化

圖2 截面永磁體的磁 軸承截面圖

磁力軸承永磁體材料選用具有高的磁性能、良好的磁穩(wěn)定性以及矯頑力高，同時(shí)還應(yīng)具有在高速回轉(zhuǎn)時(shí)材料的力學(xué)性能好的釹鐵硼材料N35UH。

永磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)傾角為20°的梯形結(jié)構(gòu)永磁體磁軸承如圖2所示，考慮初設(shè)磁密及最終磁密和永磁體加工工藝，通過(guò)有限元分析可得永磁體傾斜角度20°時(shí)為最佳狀態(tài)。

2.3 定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了減小磁懸浮軸承的體積和控制難度，磁懸浮軸承定子采用永磁體與電磁體混合結(jié)構(gòu)，電磁磁路與永磁體共有磁路，模型如圖3所示。

圖3 軸承定子模型

2.4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖4 軸承轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于：轉(zhuǎn)子端部有突起的小臺(tái)階，可以減小氣隙磁密，削弱邊緣效應(yīng)和減小漏磁。轉(zhuǎn)子材料采用導(dǎo)磁性能好的10號(hào)鋼材料。

2.5 氣隙的設(shè)計(jì)

磁軸承的氣隙尺寸對(duì)其性能影響較大，小氣隙不但有利于提高氣隙磁密，而且可以減小永磁體的尺寸和整體結(jié)構(gòu)尺寸；但是氣隙較小，會(huì)導(dǎo)致加工及安裝困難，抗外界沖擊干擾能力差，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且控制更復(fù)雜。本文初步選擇氣隙的大小為2.5 mm。

混合磁軸承的三維結(jié)構(gòu)分布圖如圖5所示。

圖5 傾斜角為20°永磁體的軸向混合磁力軸承

3 混合磁軸承關(guān)鍵工作點(diǎn)電磁分析

通過(guò)運(yùn)用ANSOFT電磁分析軟件對(duì)磁軸承磁場(chǎng)分布以及磁性能進(jìn)行分析研究[7-8]，主要針對(duì)磁懸浮軸承在平衡位置工作點(diǎn)、最大氣隙位置工作點(diǎn)、最小氣隙位置工作點(diǎn)的磁場(chǎng)以及氣隙磁密分布進(jìn)行了分析，該分析結(jié)果可以為設(shè)計(jì)磁軸承時(shí)選擇合理的電磁參數(shù)和最佳的磁路結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

(1)平衡位置工作點(diǎn)仿真

磁懸浮軸承工作于平衡位置工作點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子重量完全由永磁卸載時(shí)，永磁體單獨(dú)勵(lì)磁，工作氣縫隙為2.5 mm，通過(guò)定轉(zhuǎn)子間的電磁力與轉(zhuǎn)子重力平衡。平衡位置時(shí)磁懸浮軸承的磁密和磁力線分布圖如圖6所示。

圖6 平衡位置時(shí)磁場(chǎng)磁密和磁力線分布圖

根據(jù)圖6(a)磁軸承磁密分布圖可以看出，在平衡位置工作點(diǎn)，定子轉(zhuǎn)子各部分的磁密比較低，永磁體邊緣出現(xiàn)了飽和，但這一部分比較小，完全可以忽略不計(jì)，說(shuō)明磁軸承在平衡工作位置時(shí)整個(gè)磁路為不飽和，不會(huì)引入非線性，造成系統(tǒng)控制上的麻煩。

(2)最大氣隙位置工作點(diǎn)仿真

磁軸承在工作時(shí)達(dá)到最大氣隙位置是轉(zhuǎn)子在受到向下的擾動(dòng)沖擊下達(dá)到的位置，在這個(gè)時(shí)候氣隙增大，永磁體單獨(dú)勵(lì)磁所產(chǎn)生的永磁力變小，為了能夠有效平衡轉(zhuǎn)子重力，讓轉(zhuǎn)子重新回到平衡位置，此時(shí)需通過(guò)控制器作用，給電勵(lì)磁線圈通正向電流，在混合勵(lì)磁的作用下，轉(zhuǎn)子回到平衡位置。這時(shí)的工作氣隙為2.75 mm，永磁體單獨(dú)作用于磁懸浮軸承的磁密分布如圖7所示。

圖7 最大氣隙為2.75 mm的磁密分布

根據(jù)圖7磁密分布圖可知，與平衡位置工作點(diǎn)相比，由于氣隙增大，定子轉(zhuǎn)子各部分的磁密略微變小，永磁體邊緣也出現(xiàn)了一部分飽和，但是飽和位置很小，可以忽略，說(shuō)明磁軸承在最大氣隙工作位置時(shí)整個(gè)磁路為不飽和，不會(huì)引入非線性，造成系統(tǒng)控制上的麻煩。

(3)最小氣隙位置工作點(diǎn)仿真

磁軸承的氣隙在最小位置工作是轉(zhuǎn)子在受到向上的擾動(dòng)沖擊下，氣隙所處位置。這時(shí)永磁體單獨(dú)勵(lì)磁，產(chǎn)生的氣隙磁密變大，大于轉(zhuǎn)子重力。為了能讓轉(zhuǎn)子重回到平衡位置，需要通過(guò)控制器調(diào)節(jié)，給電磁線圈施加反向電流，在混合勵(lì)磁的作用下，轉(zhuǎn)子重新回到平衡位置。圖8為磁軸承最小氣隙為2.25 mm時(shí)永磁體單獨(dú)作用時(shí)磁懸浮軸承的磁密分布圖。

圖8 最小氣隙位置永磁單獨(dú)作用氣隙磁密

通過(guò)圖8最小氣隙位置永磁單獨(dú)作用時(shí)的磁密分布圖可以看出，與平衡位置工作點(diǎn)相比，定子轉(zhuǎn)子各部分的磁密略微變大，永磁體附近也出現(xiàn)了一部分飽和，但飽和部分很小，可以忽略，說(shuō)明磁軸承在最小氣隙工作位置時(shí)整個(gè)磁路為不飽和，不會(huì)引入非線性，造成系統(tǒng)控制上的麻煩。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用ANSOFT電磁分析軟件對(duì)矩形截面結(jié)構(gòu)和梯形截面結(jié)構(gòu)永磁體在磁軸承中兩種工作狀態(tài)的磁路特性進(jìn)行分析比較，得出梯形截面結(jié)構(gòu)永磁體較為合理，在滿足電磁力要求的情況下，在真空環(huán)境下產(chǎn)熱量相對(duì)較小。

(2)通過(guò)對(duì)梯形截面結(jié)構(gòu)傾斜角度進(jìn)行分析優(yōu)化，考慮初設(shè)磁密及最終磁密和永磁體加工工藝，得出梯形截面結(jié)構(gòu)傾斜角度為20°時(shí)是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

(3)通過(guò)運(yùn)用ANSOFT針對(duì)磁懸浮軸承在平衡位置工作點(diǎn)、最大氣隙位置工作點(diǎn)、最小氣隙位置工作點(diǎn)的磁場(chǎng)以及氣隙磁密分布進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明磁軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足功能要求。