永磁磁悬浮轴承

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 咨︸粉 , ,。“ 心 , , , 天津大学机械工程学院 魏 勇 张大卫 永磁磁悬浮轴承 牙 用磁场力将转轴悬 一类轴承 。 按工作原 理 , 可将磁悬浮轴承系统分为 类 主动磁轴承 、 被动磁轴承和混合磁 轴承 。 被动磁轴承大体上可分为全 被动磁轴承 超导体 、 抗磁体 和 永磁磁悬浮轴承 简称永磁轴承 类 。 在被动磁轴承中 , 常用的是永 磁磁悬浮轴承 。 永磁轴承的优点 永磁轴承具有如下突出优点 非机械接触而无磨损 , 因此 轴承寿命比机械接触的应力疲劳寿 命要长得多。 圆周转速高 , 永磁轴承的转 速只受永磁材料离心力的限制 , 其圆 周转速可达到 一 叉〕 。 无需润滑和气源 , 并且耐环 境性强 。 运转时振动和噪声小。 相对于电磁轴承 , 永磁轴承 中的永磁磁路不需要激磁电流 , 不 消耗电力 , 不需要激动磁线圈 , 也 无需供电系统 , 整个磁轴承系统的 结构变得简单紧凑 , 体积也小。 磁铁的承载能力非常大 , 如 稀土中的 一 一 系永磁材料 能吸起相当于自身重量 倍的重 物 , 这样的永磁材料做成轴承 , 无 疑使机械 、 仪表设计的小型化 、 轻 型化成为可能 。 永磁材料研究 永磁材料的主要性能指标是剩 余磁通密度 「 、 矫顽力从。 、 内察矫 顽力气 、 最大磁能积 ,飞以及 这些参数的温度稳定性 。 一般而 言 , 研究开发的永磁材料应该具有 尽量高的 、 。 、 。」和 、 , 尽量小的温度系数 。 自 年日本 住友公司研制成功最新一代 “ 永磁 王 ” —稀土铁系 一 一 永 磁材料以来 , 稀土永磁在 年来得 到了迅速发展 , 成为使用广泛的新 型永磁材料 。 稀土永磁是稀土金属和 过渡 族金属等按一定比例组成的金属永 磁 。 这类材料的特点是具有极高的 矫顽力和磁能积 , 居里点相当高 , 温 度稳定性良好 , 退磁曲线基本上是 一直线 , 其斜率接近于回复磁导率 , 溯年 第 期 理代界部件 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 矍‘ 一 ”““““’“ 蜘螂鬓澎蜘画娜勘由 即回复磁导线近似地与退磁曲线重 合 。 因此干扰磁场去掉后并不改变 工作点的磁能积 。 早期的铁系 一 一 仍存在磁居里温度低 、 各向 异性差等问题 , 近年来稀土永磁材 料的研究开发重点仍然是铁系 一 凡 一 的磁性能的改进上 。 一 几 一 永磁磁能积理论值为 ’ , 目前实验室样品已达到 科 加 , , 工业产品已 达到 , 。 由于 一 一 系永磁是目前磁性最强的 永磁材料 , 具有很高的性能价格比 , 现已成为制造高效能 、 体积小 、 重 量轻的磁性功能器件尤其是永磁轴 承的理想材料 , 有望对永磁轴承领 域产生革命性的影响 。 我国是稀土大国 , 稀土资源非 常丰富 , 占世界已探明资源的 , 而且品种全 、 质量高 , 为大力开发 稀土材料提供了得天独厚的条件 。 我国对稀土十分重视 , 近年来对稀 土永磁材料的研究和生产也进人了 世界先进行列 。 随着现代科学技术 的发展 , 特别是高性能稀土中 一 一 系永磁材料的实用化 , 永磁 轴承的应用前景必将更加广泛 。 永磁轴承的结构形式 永磁轴承一般采用若干个永磁 环按一定的极性成对布置而成 , 其结 构形式很多 , 基本的结构形式由两个 永磁环组成 , 主要可分为径向永磁轴 承和轴向永磁轴承两类。 径向永磁轴 承有 种基本的结构形式 如图 , 通过改变其中一个永磁环的磁化方 向 , 相应地就得到了轴向永磁轴承 种基本的结构形式 如图 。 每一类 永磁轴承中按磁力提供形式又可分 为斥力型和吸力型两种 。 永磁轴承为 或 的结构形式 图 蜘缈鬓巍蜘画么鲁 图 时 , 轴向力为零 , 而为 或 的结构 形式时 , 轴向力最大 。 对于其他的 结构形式 , 轴向力的取值在零到最 大值之间。 通过调整永磁环的轴向 相对位置 , 可获得所需要的轴向力 。 另外 , 对称布置永磁环可以使永磁 轴承的轴向力变为零 如图 。 这种结构形式要求轴向间隙较小和 轴向刚度较大 。 永磁轴承中 , 永磁环究竟是通 过吸力工作还是斥力工作 , 有时很 难分辨清楚 。 对图 和图 中的典型 结构形式容易判别 , 如 和 的结构 形式是通过斥力工作 , 而 和 的结 构形式则是通过吸力工作 。 至于介 于 者之间的其他情况 , 如 或 中 , 个永磁环的磁化方向相互垂 直 , 工作时可能既有斥力作用 , 又 有吸力作用 。 实际应用设计中 , 为了实现不 同的功能 , 永磁轴承的结构形式可 能很复杂 , 但复杂的结构形式都是 这些基本结构形式通过不同的组合 演化而成 。 永磁轴承磁路优化设计 永磁轴承主要是利用永磁环在 气隙中产生的磁场或磁通密度 , 将 转轴悬浮起来工作的 。 一般要求气 隙的磁场强度越大越好 。 不同的材 料必须选用不同的磁路结构形式 , 如果磁路结构选择得不当 , 则会妨 碍材料性能的发挥 。 反过来 , 不同 的磁路结构要求挑选合适的材料 , 如果材料选择得不当 , 也仍然达不 到最佳设计目的 。 设计的永磁磁路 是否合理通常用利用系数 勺来衡量 , 勺 遗 乙一 径向间除 喂爵 径向间隙 轴向间欧 图 通常如果永磁轴承转子的径向 偏移很小 , 就比较适合采取径向间 隙的结构形式 。 如果径向偏移很大 , 就应该采取轴向间隙的结构形式 , · 。坎 其中气隙的磁场强度 、 加拼桦哟 最大蹦溯 。 与选择的永磁材 料有关 , 而气隙体积长 、 磁铁体积 礁则取决于所设计的磁路结构。 显 然 , 愈大 , 则磁路结构愈合理 。 根 据磁路结构的不同 , 一般希望 一 。 为此 , 在永磁轴承磁 路设计过程中 , 为了使 口尽量大 , 应 该注意以下几点 」比一卫些 」达鱼 —— 一 —— 现代界部件 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 斌一、嘲墩渊曰‘ 永磁轴承所用的永磁材料一 般都具有高矫顽力 , 由于其回复磁 导率召 、 , 故永磁轴承中永磁环的 内阻很大 。 当永磁环的高度增大时 , 磁势增加 , 同时内部磁阻也增大 , 结 果在扣除永磁环内部磁压降之后 , 对外部的磁势贡献几乎不增加 。 所 以 , 即使剩磁很高 , 永磁环也总是 取扁平的形状 。 永磁轴承中的永磁环具有径 向和轴向 种磁化方式 , 理论上已经 证明永磁轴承的承载能力与磁化方 向无关 , 这 种磁化方式的永磁轴承 具有相同的承载能力 。 但由于某些 原因 , 径向磁化的永磁环的磁能积 仅仅能达到轴向磁化的 左右 , 而 且永磁环轴向磁化在技术上容易实 现 , 故目前通常采用轴向磁化的永 磁环 。 高性能的径向磁化的永磁环 , 通常采用若干块扇形拼凑而成 。 个或 个以上永磁环组成 一个永磁轴承系统时 , 其空间磁通 分布是单个永磁环各自单独存在时 的空间磁密分布的线性叠加 。 实验 已证明 , 永磁环之间的相互影响会 使工作点发生变化 , 但对于相吸引 排列的永磁系统 , 这种影响是可以 忽略的 。 对于相斥排列的永磁系统 , 这种影响较小 , 因此一般情况下 , 对 多个永磁环组成的永磁轴承系统 , 通常采用相互吸引的排列结构 。 为了最大限度的利用永磁材 料实现永磁轴承的所需功能 , 对一 个给定的刚度 , 存在一个所需永磁 材料最小体积的问题 。 通常 , 永磁 轴承中永磁环应取相同的正方形或 者长方形的截面尺寸 , 这样能保证 永磁轴承的刚度与永磁环体积的比 值达到最大 。 近年来 , 开展磁悬浮轴承研制 工作的国家越来越多并成功地研制 了多种类型的永磁轴承 , 但是 , 至 今还未形成一套系统的 、 通用的永 磁轴承设计方法 。 磁力及刚度的计算方法 从本质上说 , 磁极间磁力或刚 度的计算可归结到气隙磁场分布的 确定或气隙磁导的计算 。 确定气隙磁场分布 , 比较精确 的方法是采用数值计算方法 , 包括 差分法 、 有限元法和边界元法等求 得磁位函数 , 得到了气隙的漏磁分 布和磁通密度 , 由此可计算出磁力 和刚度 。 计算气隙磁导 , 在工程中常借 助于磁场分割法 , 这在计算磁极间 不平衡力和刚度时已被采用并获得 了良好的近似度 。 在计算轴向恢复 力和刚度时 , 由于起主要作用的因 素不是极间主磁通 , 而是极侧散磁 通 , 此时的磁场图形的构成和分割 比较复杂 、 困难 , 至今未见采用 。 、 等人通过分析磁极 ’ 有轴向位移时气隙磁场图形的变 化 , 借助于磁场分割技术 , 求解出 磁极间的气隙磁导 , 从而求出气隙 磁通量 , 导出一种比较简便的计算 轴向恢复力和刚度的工程化方法 。 实际测量结果与理论计算吻合良 好 , 证明了该刚度算法的可行性 , 为其他类型磁轴承设计提供了理论 参考价值 。 概括而言 , 由于永磁环表面的 磁荷密度不是均匀的 , 永磁环气隙 间的磁场也不是定值 , 另外还由于 永磁轴承系统特殊的结构 , 存在漏 磁现象 , 这些使得磁力和刚度的计 算仅仅是一种近似的计算和实际情 况相比 , 存在一定的误差 , 因此 , 永 磁轴承磁力和刚度的计算方法还有 待于进一步完善 。 随着电脑硬软件 的开发和磁悬浮技术的突破 , 永磁 轴承磁力和刚度的计算必将越来越 精确 。 永磁轴承应用情况 永磁轴承可与电磁轴承 、 机械 轴承 、 空气轴承 、 超导体磁轴承等 相结合 , 构成各种形式的磁轴承系 统 , 应用范围非常广泛 。 一些先进 发达国家相继投人大量的人力物 力开展磁悬浮轴承的研究 , 并取得 了许多研究成果 , 年来已在航 空航天 、 涡轮机械 、 真空技术以及 机床等许多工业部门得到了广泛 的应用 。 目前国际上在永磁轴承领域较 为活跃并处于领先地位的主要有美 国 大学和 大学 、 瑞 士联邦工学院 、 日本东京大 学和英国 大学等研究机构以 及法国 、 瑞士 、 日本 住友 、 英国 、 美国 、 、 等生产厂家 。 国内对 永磁轴承的研究起步于 世纪 年 代初 , 国防科技大学 、 哈尔滨工业 大学 、 天津大学 、 吉林大学 、 上海 交通大学和西安交通大学 、 成都理 工学院 、 沈阳黄金学院 、 辽宁工学 院 、 长春光学精密机械学院等单位 均开展了相应研究 。 但由于永磁材料性能有待于加 强 、 永磁轴承设计理论尚不完善 , 永 磁轴承的应用受到了很大限制 。 永 磁材料的进一步开发和磁悬浮技术 的突破是永磁轴承获得广泛应用的 关键 。 加仗〕文 查询绷号 理 界 件 一 —一一卫些皇业匕 ‘