一种永磁偏置内转子径向混合磁轴承的设计方法技术

一种永磁偏置内转子径向混合磁轴承的设计方法，该方法以永磁偏置内转子径向混合磁轴承的位移刚度为出发点，以最大承载力、饱和磁密、槽满率为约束条件进行磁轴承设计，与现有的以永磁体最佳工作点为目标的磁轴承设计方法相比，该方法更有利于磁轴承的控制，并且得到的永磁体大小更加合理，该方法准确度高，简单可行，其设计思想可用于各类永磁偏置内转子径向混合磁轴承的设计。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种非接触磁悬浮轴承的设计方法，特别是一种磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺等需要磁悬浮支承的装置用永磁偏置内转子径向混合磁轴承的设计方法，其设计思想可作为各类永磁偏置内转子径向混合磁轴承的设计。
技术介绍
磁悬浮轴承分纯电磁式和永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，前者使用电流大、功耗大，永磁偏置加电磁控制的混合式磁悬浮轴承，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承载力，因而这种轴承可大大减小控制电流，降低损耗。常用的磁轴承控制方式采用的是传统的PID控制方式，实现该种方式的控制器参数由轴承刚度与阻尼来确定，经过大量实践证明，为使得磁轴承具有优良的特性，应使轴承刚度与其位移刚度在同一个数量级上，因此磁轴承的位移刚度对于磁轴承的控制而言至关重要。现有的磁轴承设计方法均利用永磁体最佳工作点进行设计，目的是使永磁体体积最小，但是通过这种方法计算得到的永磁体尺寸将会很小，加工会很困难，而且该种方法没有考虑位移刚度对控制系统的影响，因而现有设计方法存在准确度差且不利于控制的缺陷。这里需要说明的是，内转子磁轴承与外转子磁轴承设计思路是不同的，对于内转子结构，其思路是先设计磁轴承转子组件，然后设计定子组件(包括永磁体)；对于外转子磁轴承，先设计磁轴承定子组件，再设计磁轴承转子组件(包括永磁体)，而且不同结构的内转子径向混合磁轴承与外转子磁轴承，其磁路结构是完全不同的，因而不能简单的将外转子磁轴承的设计方法套用于内转子磁轴承的设计。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种永磁偏置内转子径向混合磁轴承的设计方法。本专利技术的技术解决方案是一种永磁偏置内转子径向混合磁轴承的设计方法，需要确定定子铁心径向外侧高度Ds1、定子铁心内径Ds2、定子槽径向外侧高度H、定子铁心宽度bs、定子铁心轴向长度Lsfe、转子铁心外径Dr1、转子铁心轴向长度Lrfe、永磁体外径Dpm1(即转子铁心内径Dr2)、永磁体轴向长度hpm、槽口宽度Lc以及线圈匝数N。其特点在于该方法基于磁轴承的位移刚度，其具体步骤如下(1)根据所需磁悬浮支承的装置的指标要求设定转子转速n和最大承载力Fmax、根据功耗要求设定静态悬浮电流i，根据现有加工水平设定气隙长度δ以及叠片系数Kfe、根据现有磁轴承控制器的要求设定磁轴承的位移刚度Kx、根据磁场分析设定漏磁系数σ、根据所选铁心材料的磁化特性设定铁心的饱和磁密Bs；(2)根据转子转速以及材料的强度确定永磁体内径Dpm2；(3)根据最大承载力Fmax、饱和磁密Bs以及叠片系数Kfe确定定子铁心截面积A；(4)根据实际要求确定定子铁心宽度bs与定子铁心轴向长度Lsfe的比例关系，进而确定定子铁心宽度bs、定子铁心轴向长度Lsfe以及转子铁心轴向长度Lrfe；(5)由磁路分析，合理分配定、转子铁心各部分磁密，计算转子铁心轭部厚度hrfe；(6)根据定转子之间的磁气隙长度δ，确定永磁体轴向长度hpm以及槽口宽度Lc；(7)根据位移刚度Kx计算永磁体外径Dpm1(即转子铁心内径Dr2)，再结合转子重力G确定电流刚度Ki，由电流密度J以及静态悬浮电流i确定线圈直径dc；(8)根据转子铁心轭部厚度hrfe确定转子铁心外径Dr1，由气隙长度δ确定定子铁心内径Ds2；(9)根据槽满率要求确定定子槽径向外侧高度H，进而确定定子铁心径向外侧高度Ds1；(10)根据电流刚度Ki确定线圈匝数N。本专利技术的原理是本专利技术以径向混合磁轴承的位移刚度入手进行设计，根据要求设定各个参数，通过该种磁轴承的磁路分析与计算，即可得到磁轴承的其它结构尺寸。根据设定的转子转速n以及材料的强度要求可以得到永磁体内径Dpm2，根据最大承载力Fmax、饱和磁密Bs以及叠片系数Kfe由下式确定定子铁心截面积A。A=Fmax·μ0Bs2·Kfe---(1)]]>式中μ0＝4π×10-7H/m，为空气的磁导率。设定子铁心宽度bs与定子铁心轴向长度Lsfe的比值为C，则定子铁心宽度bs和定子铁心轴向长度Lsfe为Lsfe=AC---(2)]]>bs＝C·Lsfe(3)为了避免由于定、转子铁心轴线不对中引起的磁拉力，可取转子铁心轴向长度Lrfe为Lrfe＝1.15·Lsfe(4)根据磁路分析，合理分配定、转子铁心各部分磁密，计算转子铁心轭部厚度hrfe为hrfe=A2·Lrfe/3---(5)]]> 式中系数3是考虑到定子铁心轭部主要通过电励磁磁通，不通过永磁磁通，在磁轴承承受最大承载力时，电励磁磁通一般为永磁磁通的1/3。根据设定的定转子之间的磁气隙长度δ，可以得到永磁体轴向长度hpm以及槽口宽度Lc为hpm＝K1·δ(6)Lc＝K2·hpm(7)式中K1、K2为常数，根据经验取值。根据位移刚度Kx可得到永磁体外径Dpm1(即定子铁心内径Dr2)为Dpm1=4hpmC1·μpm·μ0·π+Dpm22---(8)]]>式中C1=-Fpm2·μ0·AKx·σ2·δ-δ2·μ0·A---(9)]]>其中Fpm＝Hpm·hpm为永磁体的磁动势，Hpm为永磁体的矫顽力，一般取为760kA/m～790kA/m；μpm为永磁体的相对磁导率，一般取为1.03～1.05。结合转子重力G可得电流刚度KiKi=G/2-Kx·xi---(10)]]>式中x为静态悬浮时转子中心距离磁中心的偏移量。由电流密度J以及静态悬浮电流i确定线圈直径dc为dc=4·iπ·J---(11)]]>然后根据国家标准取值。根据槽满率要求确定定子槽径向外侧高度H，进而确定定子铁心径向外侧高度Ds1为Ds1＝Dst+2·Lsfe(12)根据电流刚度Ki可以求得线圈匝数N为 N=Kk·Rpmsum·σ·δ22·Fpm·(Rpmsum-Rpm)·μ0·A---(13)]]>式中Rpm为永磁体磁阻，Rpmsum为永磁磁路总磁阻。至此，整个永磁偏置内转子径向混合磁轴承设计完毕。本专利技术与现有技术相比的优点在于本专利技术由于采用以径向混合磁轴承位移刚度为出发点的设计方法，与现有内转子径向混合磁轴承以永磁体最佳工作点为出发点的设计方法相比，更加利于控制，得到的参数更加合理。附图说明图1为本专利技术针对的永磁偏置内转子径向混合磁轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁偏置内转子径向混合磁轴承的设计方法，其特征在于：该方法基于磁轴承的位移刚度，其具体步骤如下：（１）设定磁轴承的位移刚度Ｋ↓［ｘ］、转子转速ｎ、气隙长度δ、漏磁系数σ、叠片系数Ｋ↓［ｆｅ］、最大承载力Ｆ↓［ｍａｘ］、静态悬浮电 流ｉ以及铁心的饱和磁密Ｂ↓［ｓ］；（２）根据转子转速ｎ以及材料的强度确定永磁体内径Ｄ↓［ｐｍ２］；（３）根据最大承载力Ｆ↓［ｍａｘ］、饱和磁密Ｂ↓［ｓ］以及叠片系数Ｋ↓［ｆｅ］确定定子铁心截面积Ａ；（４）根据实际要求 确定定子铁心宽度ｂ↓［ｓ］与定子铁心轴向长度Ｌ↓［ｓｆｅ］的比例关系，进而确定定子铁心宽度ｂ↓［ｓ］、定子铁心轴向长度Ｌ↓［ｓｆｅ］以及转子铁心轴向长度Ｌ↓［ｒｆｅ］；（５）由磁路分析，合理分配定、转子铁心各部分磁密，计算转子铁心轭 部厚度ｈ↓［ｒｆｅ］；（６）根据定转子之间的磁气隙长度δ，确定永磁体轴向长度ｈ↓［ｐｍ］以及槽口宽度Ｌ↓［ｃ］；（７）根据位移刚度Ｋ↓［ｘ］计算永磁体外径Ｄ↓［ｐｍ１］（即转子铁心内径Ｄ↓［ｒ２］），再结合转子重力Ｇ确定电流 刚度Ｋ↓［ｉ］，由电流密度Ｊ以及静态悬浮电流ｉ确定线圈直径ｄ↓［ｃ］；（８）根据转子铁心轭部厚度ｈ↓［ｒｆｅ］确定转子铁心外径Ｄ↓［ｒ１］，由气隙长度δ确定定子铁心内径Ｄ↓［ｓ２］；（９）根据槽满率要求确定定子槽径向外侧高度 Ｈ，进而确定定子铁心径向外侧高度Ｄ↓［ｓ１］；（１０）根据电流刚度Ｋ↓［ｉ］确定线圈匝数Ｎ。...

【技术特征摘要】
1.一种永磁偏置内转子径向混合磁轴承的设计方法，其特征在于该方法基于磁轴承的位移刚度，其具体步骤如下(1)设定磁轴承的位移刚度Kx、转子转速n、气隙长度δ、漏磁系数σ、叠片系数Kfe、最大承载力Fmax、静态悬浮电流i以及铁心的饱和磁密Bs；(2)根据转子转速n以及材料的强度确定永磁体内径Dpm2；(3)根据最大承载力Fmax、饱和磁密Bs以及叠片系数Kfe确定定子铁心截面积A；(4)根据实际要求确定定子铁心宽度bs与定子铁心轴向长度Lsfe的比例关系，进而确定定子铁心宽度bs、定子铁心轴向长度Lsfe以及转子铁心轴向长度Lrfe；(5)由磁路分析，合理分配定、转子铁心各部分磁密，计算转子铁心轭部厚度hrfe；(6)根据定转子之间的磁气隙长度δ，确定永磁体轴向长度hpm以及槽口宽度Lc；(7)根据位移刚度Kx计算永磁体外径Dpm1(即转子铁心内径Dr2)，再结合转子重力G确定电流刚度Ki，由电流密度J以及静态悬浮电流i确定线圈直径dc；(8)根据转子铁心轭部厚度hrfe确定转子铁心外径Dr1，由气隙长度δ确定定子铁心内径Ds2；(9)根据槽满率要求确定定子槽径向...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙津济，房建成，韩邦成，王曦，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]