一种六磁极混合磁悬浮轴承及其设计方法

本发明涉及磁悬浮轴承，尤其涉及一种六磁极混合磁悬浮轴承及其设计方法。

背景技术：

1、磁悬浮轴承是一种实现定转子之间无机械摩擦的新型高性能轴承，具有无摩擦、寿命长、高精度、低损耗的诸多优点，被广泛应用于生命科学、飞轮储存、航天航空等技术领域，目前根据磁场产生的形式不同，磁悬浮技术主要有永磁悬浮技术和电磁悬浮技术，由于永磁体悬浮力在受到外界干扰时无法提供阻尼，因此不能单独用于磁悬浮轴承中，电磁悬浮技术是利用线圈电流产生的电磁力将转子悬浮于空中，人为控制线圈电流来稳定转子系统，但由于电磁悬浮技术全部悬浮力都来自于电流，耗能较多，容易产生大量热，不利于机械的连续运转，永磁偏置磁悬浮轴承是用永磁体磁场代替电磁轴承中的偏置磁场，可以在避免大部分耗能时，又能保证转子稳定。

2、申请号cn112815005b公开了一种六极异极型交流混合磁轴承及其设计方法。包括定子和转子，定子包括外控制铁心和内永磁定子。外控制铁心沿内圆周分布有两组悬浮极a、b、c与a、b、c，悬浮极a、b、c内侧为扇形圆环结构，通过六个永磁体与三个扇形圆环铁心组成内永磁定子，悬浮极a、b、c与三个扇形圆环铁心之间存在分磁气隙，内永磁定子与转子之间存在主气隙，仅需一个三相逆变器就能实现转子稳定悬浮，具有承载力大，位移刚度小，磁场扰动较小，转子铁芯损耗低，便于控制等优点，但该发明容易出现x和y方向的磁场耦合严重的情况，不利于稳定控制。

技术实现思路

1、为了解决磁轴承x和y方向的磁场耦合严重的问题，本发明提出一种六磁极混合磁悬浮轴承及其设计方法。

2、本发明通过以下技术方案实现的：

3、本发明提出一种六磁极混合磁悬浮轴承包括转子和定子，其中：

4、所述六磁极混合磁悬浮轴承包括转子和定子，其中：

5、所述转子包括环状轴套和轴芯，所述环状轴套固定于所述轴芯外侧；

6、所述定子包括铁芯和固定套，所述固定套固定于所述铁芯外侧，所述铁芯内侧上设有六个磁极组，所述磁极组由线圈缠绕所述铁芯组成，所述磁极组均匀分布于铁芯的内侧，所述磁极组外侧还设有永磁体，所述永磁体与所述磁极组数量相同，所述永磁体分别为pw1、pu1、pv1、pw2、pu2、pv2，所述永磁体位于两个磁极的之间并与所述铁芯固定连接，每一所述磁极组上的两个磁极为正向串联，两绕组上的线圈匝数总和为2n，每个所述磁极组的两个磁极关于中心线对称；

7、所述转子与所述定子之间存在第一气隙，所述铁芯靠近所述永磁体的外侧存在第二气隙，所述永磁体和所述第二气隙位于所述磁极组的中心线上，所述永磁体一端朝向转子轴心，另一端朝向所述第二气隙，一个所述永磁体线与y轴成30度夹角，六个所述永磁体的磁极按照nssnnssnnssn排布成异极结构，且互成60°夹角，六个所述永磁体的充磁方向在x和y上分别为(0,-1)，(0,-1)，

8、进一步的，六个所述磁极组分别为w1、u1、v1、w2、u2、v2，其中磁极组w1和w2，u1和u2，v1和v2分别进行反向串联，并连接形成y型三相绕组，通过一个单向逆变器供电。

9、进一步的，一种六磁极混合磁悬浮轴承的设计方法，包括以下步骤：

10、s1.建立六磁极混合磁悬浮轴承的磁路模型；

11、s2.根据最大承载力进行计算出磁极组的磁极参数；

12、s3.根据偏置磁通量进行计算出永磁体参数；

13、s4.通过控制磁通量并确定线圈绕组参数。

14、进一步的，所述s1中建立六磁极混合磁悬浮轴承的磁路模型包括以下步骤：

15、计算六个永磁体pw1、pu1、pv1、pw2、pu2、pv2对应的磁通；

16、计算六个磁极组w1、u1、v1、w2、u2、v2对应的磁通；

17、根据六个永磁体和磁极组的磁通进行计算出电磁力和磁极之间的电磁关系。

18、进一步的，所述计算六个永磁体pw1、pu1、pv1、pw2、pu2、pv2的对应的磁通包括以下步骤：

19、计算永磁体的磁阻：

20、

21、其中rp是永磁体的磁阻，hc是永磁体的矫顽力，br是永磁体的剩磁，s是磁感线穿越永磁体时的截面积，lp是永磁体在充磁方向上的长度；

22、由于六个永磁体的充磁方向分别为(0,-1)，(0,-1)，根据第二气隙的磁阻计算公式：

23、

24、可得出六个磁极组w1、u1、v1、w2、u2、v2中的磁极与磁极之间第二气隙所对应的磁阻rw1、ru1、rv1、rv2、rw2，计算公式分别为：

25、

26、

27、其中：x和y是转子在x轴和y轴的位移，rs为第二气隙的磁阻，gs为第二气隙的长度，μ0为真空磁导率，ap为构成第二气隙两边的磁极面积；

28、计算六个磁极组中永磁体磁通回路对应的等效电阻

29、rpw1、rpu1、rpv1、rpv2、rpw2，计算公式分别为：

30、

31、

32、

33、最后得出六组永磁体的磁通

34、

35、

36、其中，fp为永磁体磁动势。

37、进一步的，所述计算六个磁极组产生的电磁力包括以下步骤：

38、计算六个磁极组中绕圈绕组磁通回路对应的等效电阻rew1、reu1、rev1、rev2、rew2，reu2，计算公式分别为：

39、

40、

41、计算六个磁极组w1、u1、v1、w2、u2、v2对应的磁动势few1、feu1、fev2、few2、feu2、fev1，计算公式分别为：

42、few1＝2niw,feu1＝2niu,fev2＝-2niv,

43、few2＝-2niw,feu2＝-2niu,fev1＝2niv

44、其中，2n指的是一个磁极组内的两磁极上的线圈匝数总和；

45、计算六个磁极组w1、u1、v1、w2、u2、v2对应的磁通量计算公式分别为：

46、

47、

48、进一步的，所述计算出电磁力和磁极之间的电磁关系包括以下步骤：

49、计算六个磁极组产生的电磁力fw1、fu1、fv2、fw2、fu2、fv1，其中计算公式为

50、

51、

52、根据六个永磁体和六个磁极组的计算结果，并利用泰勒公式展开得到：

53、

54、

55、

56、

57、其中：

58、根据x和y方向的电磁力和各个磁极组磁极之间的电磁之间的关系式：

59、

60、得到x和y方向的电磁力和各个磁极组磁极之间的电磁之间的结果为：

61、

62、进一步的，所述s2中根据最大承载力进行计算出磁极组的磁极参数包括以下步骤：

63、根据最大承载力和虚位移定理确定磁极组的磁极尺寸，其中：

64、

65、其中，为x轴的最大承载力力，为y轴的最大承载力，ap为磁极组单个磁极的面积，ap＝bl，bs为饱和磁感应强度，μ0为真空磁导率。

66、进一步的，所述s3中根据偏置磁通量进行计算出永磁体参数包括以下步骤：

67、计算永磁体的磁阻rp，计算公式为；

68、

69、其中，c是永磁体的矫顽力，br是永磁体的剩磁，s是磁感线穿越永磁体时的截面积，lp是永磁体充磁方向上的长度；

70、根据磁路欧姆定律公式，取永磁体在第一气隙产生的磁通量为总磁通量的倍，得到公式：

71、

72、其中，ap为磁极组单个磁极的面积，fp是永磁体的磁动势，根据以上公式变换最终可得

73、进一步的，所述s4中通过控制磁通量并确定线圈绕组参数包括以下步骤：

74、计算转子位于中间位置时的第一气隙的磁阻re，计算公式为：

75、

76、其中，

77、控制线圈产生的磁通与永磁体产生的偏置磁通相等并计算得到线圈绕组参数：

78、

79、其中，n为单个磁极上的线圈匝数，imax为线圈电流的最大值。

80、本发明的有益效果：

81、(1)本发明提出的六磁极混合磁悬浮轴承，通过x和y方向独立设置，能够大大降低磁场耦合的情况，其次还可以避免了第二气隙产生的磁场泄漏和磁场耦合现象。

82、(2)本发明提出的六磁极混合磁悬浮轴承，机械结构上呈中心对称，形式紧凑，简化了机械结构，设计和装配更为简单，在装配和加工时更加方便，工序更简单。

83、(3)本发明提出的六磁极混合磁悬浮轴承，通过三向逆变器进行降低功率放大器成本的同时，x和y方向独立设置又能大大降低磁场耦合，在成本降低的同时，又能使径向各方向的磁场耦合变低。