一种非对称四自由度混合磁轴承及其参数设计方法

本发明涉及磁悬浮轴承，具体涉及一种满足实际应用领域技术需求的非对称四自由度混合磁轴承及其参数设计方法。

背景技术：

1、混合磁轴承是利用电磁力实现转子稳定悬浮的非接触式轴承，具有无摩擦，无磨损，不需润滑及密封，高速度，高精度、无限寿命和功耗低等特点，在超高速超精密数控机、磁悬浮电机、飞轮储能技术及人造卫星等领域有着重要的应用价值。

2、按照受控自由度可将混合磁轴承分为轴向单自由度、径向两自由度、径向-轴向三自由度、径向四自由度和五自由度混合磁轴承等，混合磁轴承的典型应用是采用上述五种结构来组合支承电机转子悬浮旋转，尤其是其中的径向四自由度混合磁轴承，再额外加上一个轴向单自由度混合磁轴承，即可实现电机转子五自由度稳定悬浮，目前的四自由度混合磁轴承常采用对称式设计，即两端的结构相同，产生的最大悬浮力也相同，而众所周知，电机负载一般安装在转子一侧，在实际应用中，四自由度混合磁轴承的两端的径向载荷不同，采用对称式设计的四自由度混合磁轴承不能完全满足实际应用领域的技术需求

3、因此，本发明提出一种满足实际应用领域需求的非对称式四自由度混合磁轴承结构与设计方法，在应用中，将负载安装在径向悬浮力大的一侧，并且都工作于非饱和状态，动态悬浮性能好，在满足实际应用需求的基础上，充分利用材料。

技术实现思路

1、针对背景技术中指出的问题，本发明提出一种非对称四自由度混合磁轴承及其参数设计方法，首先根据实际径向负载需求，确定两侧的最大悬浮力，然后确定悬浮力大的一侧参数，接着基于磁路不饱和，再确定最大径向悬浮力较小一侧的参数，最后确定永磁体磁动势参数，确保力电流的线性关系，使其在拥有较好的静态性能的同时，兼具充分利用材料控制简单和易于实现的特点。

2、技术方案：本发明公开一种非对称四自由度混合磁轴承，包括定子组件和转子组件，所述定子组件包括左侧铁心、右侧铁心、永磁环、左侧控制线圈、右侧控制线圈，所述定子组件的截面为梯形结构，所述永磁环位置处于梯形结构斜边的左侧铁心与右侧铁心之间；所述左侧铁心、右侧铁心内圆周均设置有4个磁极，所述左侧铁心、右侧铁心的磁极面积不等，左侧铁心和右侧铁心的磁极上分别绕制匝数不同的左侧控制线圈、右侧控制线圈；所述转子组件包括转轴和转子铁心；所述转子铁心和左侧铁心和右侧铁心之间分别存在左、右侧径向气隙。

3、进一步地，左侧单个径向磁极面积s1＞右侧单个径向磁极面积s2。

4、进一步地，所述永磁环为径向充磁，所述左、右侧定子铁心面向转子铁心的一侧极性相反。

5、进一步地，左侧铁心、右侧铁心和转子铁心均由实心导磁材料制成。

6、进一步地，永磁环为左侧径向气隙和右侧径向气隙提供偏置磁通，该偏置磁通让左侧径向气隙的气隙磁密达到饱和磁密bs的一半，右侧径向气隙的气隙磁密大于饱和磁密bs的一半。

7、进一步地，所述永磁环提供偏置磁通，偏置磁通从永磁环n极出发，经左侧铁心、左侧径向气隙、转子铁心、右侧径向气隙、右侧铁心最后回到永磁环的s极。

8、本发明还公开一种基于上述一种非对称四自由度混合磁轴承的参数设计方法，包括以下步骤：

9、步骤1：选定永磁环材料，确定气隙饱和磁密为bs，确定左、右侧径向气隙长度g；

10、步骤2：根据给定的最大径向悬浮力f1和f2，且f2<f1，根据确定左侧单个径向磁极面积s1，其中μ0为真空磁导率；

11、步骤3：确定左侧控制线圈的安匝数n1i1：

12、步骤4：计算右侧气隙偏置磁密bp2与所需在最大控制磁密bc2：bc2＝bs-bp2；

13、步骤5：根据f2计算右侧单个径向磁极面积s2：

14、f2为右侧最大悬浮力，当右侧单个径向磁极面积s2为左侧单个径向磁极面积s1一半时f2为0，当右侧单个径向磁极面积s2等于左侧单个径向磁极面积s1，两测悬浮力基本相同；

15、由以上s1、bp2、bc2和f2表达式联立即可得到各个量的表达式为：

16、

17、

18、

19、步骤6：确定右侧控制线圈的安匝数n2i2：

20、步骤7：确定永磁环的磁动势fm：

21、本发明和现有技术相比有以下优点：

22、本发明一种基于磁路不饱和的非对称四自由度混合磁轴承是在给定的最大悬浮力以及让面积较大一侧气隙偏置磁密达到饱和气隙磁密一半的前提下对磁极面积较大一侧等参数进行设计，在基于磁路不饱和的情况下去确定其磁极面积的范围，依据磁极面积较大一侧的参数以及所给出的已知量去设计出另一侧的磁极面积和其余参数。同时在本发明所涉及的设计方法之下可以快速有效地确定该磁轴承的其它主要参数；其非对称式的结构使其能够实现对于实际生产中对于两侧所需不同最大径向悬浮力的需要，同时非对称式的结构使得其达到节约空间并且减少生产所需物料，同时由于一侧的最大悬浮力小于另一侧的值，故使得其所需的工作电流更小，相应的能耗也随之降低。此基于磁路不饱和的非对称式的结构并没有改变传统对称式结构中力和电流的线性关系，这使得其在拥有较好的静态性能的同时，兼具控制简单和易于实现的特点。

技术特征：

1.一种非对称四自由度混合磁轴承，其特征在于：包括定子组件(1)和转子组件(2)，所述定子组件(1)包括左侧铁心(3)、右侧铁心(4)、永磁环(5)、左侧控制线圈(6)、右侧控制线圈(7)，所述定子组件的截面为梯形结构，所述永磁环位置处于梯形结构斜边的左侧铁心(3)与右侧铁心(4)之间；所述左侧铁心(3)、右侧铁心(4)内圆周均设置有4个磁极，所述左侧铁心(3)、右侧铁心(4)的磁极面积不等，左侧铁心(3)和右侧铁心(4)的磁极上分别绕制匝数不同的左侧控制线圈(6)、右侧控制线圈(7)；所述转子组件包括转轴(10)和转子铁心(11)；所述转子铁心(11)和左侧铁心(3)和右侧铁心(4)之间分别存在左、右侧径向气隙(8、9)。

2.根据权利要求1所述的一种非对称四自由度混合磁轴承，其特征在于：左侧单个径向磁极面积s1＞右侧单个径向磁极面积s2。

3.根据权利要求1所述的一种非对称四自由度混合磁轴承，其特征在于：所述永磁环(5)充磁方向与斜边平行。

4.根据权利要求1所述的一种非对称四自由度混合磁轴承，其特征在于：左侧铁心(3)、右侧铁心(4)、转子铁心(11)均由实心导磁材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种非对称四自由度混合磁轴承，其特征在于：永磁环(5)为左侧径向气隙(8)和右侧径向气隙(9)提供偏置磁通，该偏置磁通让左侧径向气隙(8)的气隙磁密达到饱和磁密bs的一半，右侧径向气隙(9)的气隙磁密大于饱和磁密bs的一半。

6.根据权利要求1所述的一种非对称四自由度混合磁轴承，其特征在于：所述永磁环(5)提供偏置磁通(12)，偏置磁通(12)从永磁环(5)n极出发，经左侧铁心(3)、左侧径向气隙(8)、转子铁心(11)、右侧径向气隙(9)、右侧铁心(2)最后回到永磁环(5)的s极。

7.一种基于权利要求1至6任一根据权利要求1所述的一种非对称四自由度混合磁轴承的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种非对称四自由度混合磁轴承及其参数设计方法，该磁轴承包含定子组件和转子组件，定子组件包括左侧铁心、右侧铁心、永磁环、左侧控制线圈、右侧控制线圈，定子截面为梯形，左右侧铁心内圆周均布磁极，磁极面积不等，磁极上绕制控制线圈组。设计方法是先根据给定径向最大悬浮力和永磁体提供的偏置磁通，让磁极面积大的一侧气隙偏置磁密为饱和值的一半设计磁极面积和该侧的控制线圈安匝数，再根据磁路不饱和的前提下与气隙饱和磁密，确定另一侧的磁极面积与绕组安匝数，最后根据已经确定的两个磁极面积确定永磁体磁动势。与现有技术相比，本发明该磁轴承可在转子两端产生大小不同的径向最大悬浮力，满足应用领域中转子两端所需径向承载力不同的实际需求。

技术研发人员：王浩然,唐霄,姚瑶,刘非凡,叶小婷,张涛,武莎莎,张晨,鲁庆,莫丽红
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22