專利名稱：一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸磁懸浮軸承的設(shè)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內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法，其設(shè)計思想可作為各類永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計。
背景技術(shù)：
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(chǎn)生的磁場承擔主要的承載力，電磁磁場提供輔助的調(diào)節(jié)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(tǒng)的PID控制方式，實現(xiàn)該種方式的控制器參數(shù)由軸承剛度與阻尼來確定，經(jīng)過大量實踐證明，為使得磁軸承具有優(yōu)良的特性，應使軸承剛度與其位移剛度在同一個數(shù)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(guān)重要?，F(xiàn)有的磁軸承設(shè)計方法均利用永磁體最佳工作點進行設(shè)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將會很小，加工會很困難，而且該種方法沒有考慮位移剛度對控制系統(tǒng)的影響，因而現(xiàn)有設(shè)計方法存在準確度差且不利于控制的缺陷。這里需要說明的是，內(nèi)轉(zhuǎn)子磁軸承與外轉(zhuǎn)子磁軸承設(shè)計思路是不同的，對于內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其思路是先設(shè)計磁軸承轉(zhuǎn)子組件，然后設(shè)計定子組件(包括永磁體)；對于外轉(zhuǎn)子磁軸承，先設(shè)計磁軸承定子組件，再設(shè)計磁軸承轉(zhuǎn)子組件(包括永磁體)，而且不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承與外轉(zhuǎn)子磁軸承，其磁路結(jié)構(gòu)是完全不同的，因而不能簡單的將外轉(zhuǎn)子磁軸承的設(shè)計方法套用于內(nèi)轉(zhuǎn)子磁軸承的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法，需要確定定子鐵心外徑Ds1(即永磁體內(nèi)徑Dpm2)、定子鐵心內(nèi)徑Ds2、定子齒外徑Dst、定子鐵心寬度bs、定子鐵心軸向長度Lsfe、轉(zhuǎn)子鐵心外徑Dr1、轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑Dr2、轉(zhuǎn)子鐵心軸向長度Lrfe、永磁體外徑Dpm1、永磁體軸向長度hpm、槽口寬度Lc以及線圈匝數(shù)N，其特點在于該方法基于磁軸承的位移剛度，其具體步驟如下(1)根據(jù)所需磁懸浮支承的裝置的指標要求設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n和最大承載力Fmax、根據(jù)功耗要求設(shè)定靜態(tài)懸浮電流i，根據(jù)現(xiàn)有加工水平設(shè)定氣隙長度δ以及疊片系數(shù)Kfe、根據(jù)現(xiàn)有磁軸承控制器的要求設(shè)定磁軸承的位移剛度Kx、根據(jù)磁場分析設(shè)定漏磁系數(shù)σ、根據(jù)所選鐵心材料的磁化特性設(shè)定鐵心的飽和磁密Bs；(2)根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n以及材料的強度確定轉(zhuǎn)子軸外徑Dn；(3)根據(jù)最大承載力Fmax、飽和磁密Bs以及疊片系數(shù)Kfe確定定子鐵心截面積A；(4)根據(jù)實際要求確定定子鐵心寬度bs與定子鐵心軸向長度Lsfe的比例關(guān)系，進而確定定子鐵心寬度bs、定子鐵心軸向長度Lsfe以及轉(zhuǎn)子鐵心軸向長度Lrfe；(5)由磁路分析，合理分配定、轉(zhuǎn)子鐵心各部分磁密，計算轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑Dr2、外徑Dr1以及定子鐵心軛部高度hsfe，進而確定定子鐵心內(nèi)徑Ds2；(6)根據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙長度δ，確定永磁體軸向長度hpm以及槽口寬度Lc；(7)根據(jù)位移剛度Kx以及轉(zhuǎn)子重力G確定電流剛度Ki，由電流密度J以及靜態(tài)懸浮電流i確定線圈直徑dc；
(8)根據(jù)槽滿率要求確定定子齒外徑Dst，再由定子鐵心軛部高度hsfe可確定出定子鐵心外徑Ds1，也即永磁體內(nèi)徑Dpm2；(9)根據(jù)位移剛度Kx確定出永磁體外徑Dpm1，根據(jù)電流剛度Ki確定線圈匝數(shù)N。
本發(fā)明的原理是本發(fā)明以徑向磁軸承的位移剛度入手進行設(shè)計，根據(jù)要求設(shè)定各個參數(shù)，通過該種磁軸承的磁路分析與計算，即可得到磁軸承的其它結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n以及材料的強度要求可以得到轉(zhuǎn)子軸外徑Dn，根據(jù)最大承載力Fmax、飽和磁密Bs以及疊片系數(shù)Kfe由下式確定定子鐵心截面積A。
A=Fmax·μ0Bs2·Kfe---(1)]]>式中μ0＝4π×10-7H/m，為空氣的磁導率。
設(shè)定子鐵心寬度bs與定子鐵心軸向長度Lsfe的比值為C，則定子鐵心寬度bs和定子鐵心軸向長度Lsfe為Lsfe=AC---(2)]]>bs＝C·Lsfe(3)為了避免由于定、轉(zhuǎn)子鐵心軸線不對中引起的磁拉力，可取轉(zhuǎn)子鐵心軸向長度Lrfe為Lrfe＝1.15·Lsfe(4)根據(jù)磁路分析，合理分配定、轉(zhuǎn)子鐵心各部分磁密，計算轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑Dr2、外徑Dr1以及定子鐵心軛部高度hsfe為Dr2a=4·Aπ+Dn2---(5)]]>Dr1=Dr2+A2·Lrfe---(6)]]>
hsfe=A2·Lsfe---(7)]]>進而可得定子鐵心內(nèi)徑Ds2為Ds2＝Dr1+2.δ(8)根據(jù)設(shè)定的定轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙長度δ，可以得到永磁體軸向長度hpm以及槽口寬度Lc為hpm＝K1.δ (9)Lc＝K2.hpm(10)式中K1、K2為常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取值。
根據(jù)位移剛度Kx以及轉(zhuǎn)子重力G可得電流剛度KiKi=G/2-Kx·xi---(11)]]>式中x為靜態(tài)懸浮時轉(zhuǎn)子中心距離磁中心的偏移量。
由電流密度J以及靜態(tài)懸浮電流i確定線圈直徑dc為dc=4·iπ·J---(12)]]>然后根據(jù)國家標準取值。
根據(jù)槽滿率要求確定定子齒外徑Dst，再由定子鐵心軛部高度hsfe可確定出定子鐵心外徑Ds1，也即永磁體內(nèi)徑Dpm2為Ds1＝Dst+2.hsfe(13)之后再根據(jù)位移剛度Kx確定出永磁體外徑Dpm1為Dpm1=2·μ0·A·hpm(1C1-δ)·μ0·μpm·4π+Dpm22---(14)]]>式中C1=-Kx·σ2·δμ0·A·Fpm2---(15)]]>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。
根據(jù)電流剛度Ki可以求得線圈匝數(shù)N為N=Ki·σ·δ·(2·Rpm·μ0·A+δ)2·Fpm·μ0·A---(16)]]>式中Rpm為永磁體磁阻，Rpm=hpmμ0·μpm·π4·(Dpm12-Dpm22)..]]>至此，整個永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承設(shè)計完畢。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明由于采用以徑向磁軸承位移剛度為出發(fā)點的設(shè)計方法，與現(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承以永磁體最佳工作點為出發(fā)點的設(shè)計方法相比，更加利于控制，得到的參數(shù)更加合理。


圖1為本發(fā)明針對的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的設(shè)計流程圖；圖3為按照本發(fā)明設(shè)計出的永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承實物圖，其中(a)為內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的定子組件，(b)為內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的轉(zhuǎn)子組件。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的設(shè)計對象為一種磁懸浮控制力矩陀螺用永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承，圖中1為轉(zhuǎn)子導磁環(huán)，2為轉(zhuǎn)子鐵心，3為定轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙，4為定子鐵心，5為定子導磁環(huán)，6為永磁體，7為線圈。根據(jù)現(xiàn)有磁軸承控制器的要求設(shè)定磁軸承的位移剛度Kx為-1N/um，根據(jù)磁懸浮控制力矩陀螺的指標要求設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n取為20000r/min，根據(jù)材料強度設(shè)定轉(zhuǎn)子軸外徑Dn為28mm。根據(jù)現(xiàn)有加工水平設(shè)定氣隙長度δ取為0.2mm，疊片系數(shù)Kfe為0.85，根據(jù)該磁軸承的磁場分析設(shè)定漏磁系數(shù)σ為1.3，根據(jù)磁懸浮控制力矩陀螺的指標要求設(shè)定最大承載力Fmax為178N，根據(jù)磁懸浮控制力矩陀螺的功耗要求設(shè)定靜態(tài)懸浮電流i為0.2A，該實施例中磁軸承的定、轉(zhuǎn)子鐵心選用鐵鎳系軟磁合金0.1mm厚的1J50，根據(jù)1J50的磁化曲線設(shè)定飽和磁密Bs為1.2T。根據(jù)現(xiàn)有線圈的下線水平設(shè)定定子槽滿率為40％。
根據(jù)以上條件，由(1)式可以計算出定子鐵心截面積A＝371.8mm2，設(shè)定子鐵心寬度bs與定子鐵心軸向長度Lsfe的比值C＝2，則由式(2)和(3)可以得出定子鐵心寬度bs＝26mm，定子鐵心軸向長度Lsfe＝13mm，由式(4)可得轉(zhuǎn)子鐵心軸向長度Lrfe＝15mm，由式(5)、(6)和(7)可以得到轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑Dr2＝35.5mm，外徑Dr1＝60mm，定子鐵心軛部高度hsfe＝14.3mm，由式(8)可得定子鐵心內(nèi)徑Ds2＝60.4mm，設(shè)定參數(shù)K1＝30，K2＝2，由式(9)和(10)可得永磁體軸向長度hpm＝6mm，槽口寬度Lc＝12mm，考慮到一般磁軸承靜態(tài)懸浮后轉(zhuǎn)子中心距離磁中心的偏移量x＝0.1mm，由(11)可得電流剛度Ki＝397.6N/A，由式(12)可得線圈直徑dc＝0.356mm，取為0.35mm，根據(jù)設(shè)定的槽滿率通過程序循環(huán)后可得定子齒外徑Dst＝71.5mm，由式(13)可得定子鐵心外徑Ds1＝100mm，由式(14)可得永磁體外徑Dpm1＝105mm，由式(16)可得線圈匝數(shù)N＝130匝。至此，該永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承設(shè)計完畢。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的
權(quán)利要求
1.一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法，其特征在于該方法基于磁軸承的位移剛度，其具體步驟如下(1)設(shè)定磁軸承的位移剛度Kx、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n、氣隙長度δ、漏磁系數(shù)σ、疊片系數(shù)Kfe、最大承載力Fmax、靜態(tài)懸浮電流i以及鐵心的飽和磁密Bs；(2)根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n以及材料的強度確定轉(zhuǎn)子軸外徑Dn；(3)根據(jù)最大承載力Fmax、飽和磁密Bs以及疊片系數(shù)Kfe確定定子鐵心截面積A；(4)根據(jù)實際要求確定定子鐵心寬度bs與定子鐵心軸向長度Lsfe的比例關(guān)系，進而確定定子鐵心寬度bs、定子鐵心軸向長度Lsfe以及轉(zhuǎn)子鐵心軸向長度Lrfe；(5)由磁路分析，合理分配定、轉(zhuǎn)子鐵心各部分磁密，計算轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑Dr2、外徑Dr1以及定子鐵心軛部高度hsfe，進而確定定子鐵心內(nèi)徑Ds2；(6)根據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的磁氣隙長度δ，確定永磁體軸向長度hpm以及槽口寬度Lc；(7)根據(jù)位移剛度Kx以及轉(zhuǎn)子重力G確定電流剛度Ki，由電流密度J以及靜態(tài)懸浮電流i確定線圈直徑dc；(8)根據(jù)槽滿率要求確定定子齒外徑Dst，再由定子鐵心軛部高度hsfe可確定出定子鐵心外徑Ds1，也即永磁體內(nèi)徑Dpm2；(9)根據(jù)位移剛度Kx確定出永磁體外徑Dpm1，根據(jù)電流剛度Ki確定線圈匝數(shù)N。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)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～-3N/um。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法，其特征在于所述的氣隙長度δ取為0.15～0.35mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法，其特征在于所述的漏磁系數(shù)σ取為1.1～3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法，其特征在于所述的疊片系數(shù)Kfe是通過實際定子或轉(zhuǎn)子鐵心重量與其理論計算值的比值得到，取為0.75～0.95。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法，其特征在于所述的定子鐵心寬度bs與定子鐵心軸向長度Lsfe的比例關(guān)系由實際要求確定，若磁軸承要求軸向長度短，則該比例值取為4～6，否則該比例值取為1～3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法，其特征在于所述的槽滿率取為40％～60％。
全文摘要
一種永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計方法，該方法以永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的位移剛度為出發(fā)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(shè)計，與現(xiàn)有的以永磁體最佳工作點為目標的磁軸承設(shè)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(shè)計思想可用于各類永磁偏置內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁軸承的設(shè)計。
文檔編號F16C32/04GK1945034SQ20061011426
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者房建成, 孫津濟, 王鵬, 王曦, 楊磊 申請人:北京航空航天大學