文献摘要

研究背景：现有径向磁轴承结构电励磁磁路耦合的特点

研究内容：分析一种新型磁悬浮飞轮用永磁偏置径向磁轴承结构及其工作原理；计算磁轴承的永磁磁路和电励磁磁路，得出磁轴承的数学模型，给出主要参数的设计方法；仿真分析，（磁场分布、x方向通电流时对力Fy的影响）两方面验证该结构电励磁回路在x、y方向的解耦性。

研究目的：扩大系统线性工作范围和稳定裕度，提高磁轴承系统的控制性能。

研究方法；等效磁路法、有限元法

结论：这种径向磁轴承结构有效地避免了磁通在两个径向自由度间的耦合

疑问：用等效磁路法计算磁轴承永磁磁路的作用？验证解耦性时为啥只有（磁场分布、x方向通电流时对力Fy的影响）两方面？

1 引言

（1）磁轴承优点：无摩擦、无磨损、精度高、寿命长

（2）磁轴承分类：纯电磁式、永磁偏置加电磁控制的混合磁轴承

（3）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作用；永磁偏置的混合磁轴承是磁悬浮轴承的重要研究方向；

2 永磁偏置径向磁轴承结构及工作原理

（1）磁轴承结构：

（2）工作原理：当转子由于扰动而偏离平衡位置，单靠永磁磁场的作用不能保证转子的稳定悬浮时，需要激磁线圈所产生的磁场进行调节，通过调节电流的大小使转子回到平衡位置。

（3）疑问：磁场吸力与磁通的关系？合成磁通？定子磁极截面积？

3 永磁偏置径向磁轴承模型建立

3.1 磁路分析

（1）永磁磁路：如2节中图1所示，虚箭头回路所示，有两个回路。

（2）电励磁磁路：如2节中图1所示，实箭头回路所示。

由于内导磁体之间和永磁体之间均由隔磁体相连，故永磁磁路和电励磁磁路均在x方向和y方向之间没有耦合。

3.2 磁路计算

（1）假设：采用轴向充磁的永磁环体提供永磁径向偏置磁通；永磁磁路和电励磁磁路的漏磁部分有两个漏磁系数进行补偿；有效磁路系统只考虑工作气隙的磁阻，不考虑铁心磁阻和转子磁阻。

3.3 磁轴承的数学模型

（1）转子在平衡位置时x方向的单边磁拉力表达式：，在径向两个方向上分别受到两个沿着坐标轴负方向的外扰力，使得转子的偏移量分别为x、y，此时在沿着径向两坐标轴正方向的合力为：

（2）对上式进行线性化处理得到转子在平衡位置附近的线性化方程：式中的第一项和第二项系数分别为径向磁轴承的位移刚度Kx和电流刚度Ki。

其中：

4 永磁偏置径向磁轴承参数设计

（1）气隙处磁感应强度的设计

由永磁磁路的基本方程和最大承载力方程得：，一般硅铁导磁材料得饱和磁感应强度为Bs=1.5T，故设计时常取Bp=0.6~0.8T。

（2）磁极面积和气隙长度的计算

设定系统承受最大承载力Fmax时气隙磁密为，得

基于绕线空间和加工精度的考虑，在工程上，一般取气隙长度为：0.15~1.00mm

（3）永磁材料参数的设计

永磁体对外提供的磁动势与所选的永磁体退磁曲线有关。为了满足磁轴承结构紧凑以及重量轻得特点，通常选取高饱和磁感应强度得永磁体。

（4）电励磁参数设计

电励磁磁通、

线圈匝数、

导线直径

（5）参数设计结果

5 有限元分析及耦合性比较

采用有限元分析软件Ansys对径向磁轴承进行建模分析。

6 结论

本文介绍了一种新型磁悬浮飞轮用永磁偏置径向磁轴承的工作原理及分析方法，并给出了结构尺寸的设计方法。理论研究和仿真分析表明:这种径向磁轴承结构有效地避免了磁通在两个径向自由度间的耦合, 从而能大大降低磁轴承转子发生偏移时的控制难度, 从而增大系统线性范围提高运行可靠性, 适用于高速高精度要求的磁悬浮系统。

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