永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承的研究

王德明，葛貝貝，張廣明，梅 磊

(南京工業大學，江蘇南京211816)

0 引 言

現代工業對軸承的性能要求越來越苛刻，尤其在一些軍工、航空航天等特殊領域內，高轉速、高精度、可控可靠的旋轉機械的實現具有重要的現實意義。

磁懸浮軸承是利用磁力作用將轉子懸浮于空中，實現轉子與定子之間的無機械摩擦。與傳統的機械軸承相比，磁懸浮軸承具有無法比擬的優越性能:噪聲小、能耗低、沒有機械磨損、無需添加潤滑劑、無污染、壽命長、轉子可以運行到很高的轉速［1-3］。磁懸浮軸承的良好應用性能及未來的發展潛力正受到人們的普遍關注，其已在美國、法國、日本、瑞士等國取得了工業領域的廣泛應用［4］。

磁懸浮軸承的分類方式繁多，其中根據懸浮力的產生機理不同，可以分為主動型、被動型和混合型磁懸浮軸承。混合型磁懸浮軸承利用永磁材料建立偏置磁場，因此又被稱為永磁偏置磁懸浮軸承。永磁偏置磁懸浮軸承除了具有一般磁懸浮軸承的優點外，還較大程度地降低了軸承的功率損耗，減少了支持單位承載力所需的體積和重量。

近年來，隨著稀土永磁材料的廣泛應用和開發，國內外的研究人員研究出了多種結構的永磁偏置磁懸浮軸承［5］。本文在前人工作的基礎上對永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承(以下簡稱PARMB)的拓撲結構進行研究，分析各種結構的優缺點，并在此基礎上闡述了經典結構PARMB的工作原理，最后還介紹了PARMB在工業領域的應用實例，并對它的未來發展進行了展望。

1 PARMB的拓撲結構及工作原理

為實現對轉子5個自由度的控制，傳統的磁懸浮軸承系統通常由一個控制軸向推力的軸向磁軸承和兩個控制徑向力的徑向磁軸承構成，這三個磁軸承在軸向方向依次排列增大了軸向長度，使電機的臨界轉速難以提高［6］。因此，在一個超高速系統中如何減小系統尺寸，提高轉子的動態性能成為國內外磁軸承研究者的工作重點。1990年第二屆磁軸承會議中Sortore C等人研究了一種永磁偏置軸向徑向磁軸承［7］，該種磁軸承的設計理念即將軸向、徑向磁軸承結合為一體，大大縮短軸向長度，減少軸承體積。在這一設計理念的基礎上國內外研究者開始致力于研究各種結構緊湊、體積小、功耗低的永磁偏置軸向徑向磁軸承。

1.1 多種PARMB結構分析

根據偏置磁場極性分布的不同，永磁偏置磁懸浮軸承又可以分為同極性結構和異極性結構，同極性結構中偏置磁場在徑向磁極上產生的磁極性相同，在軸向磁極上產生的磁極性相反［8］。由于和異極性磁軸承相比，同極性結構的磁軸承磁滯損耗小，更適合應用在高速場合，因此目前的PARMB主要以同極性為主，下文所述也均為同極性結構。

圖1為上文提到的PARMB，從圖中可以看出一個軸向充磁的永磁體嵌套在軸向定子與徑向定子之間，使軸向定子與徑向定子有效隔斷，消除了兩者之間的耦合。環形線圈產生的控制磁通與永磁體產生的偏置磁通在氣隙中進行疊加，來實現軸承的穩定懸浮。然而這種磁軸承的缺點是軸向長度長，無法提高轉子的臨界轉速。

圖1 軸向充磁PARMB的結構與磁路圖

圖2為經典結構PARMB，從磁路圖中可以看出，偏置磁通由一個徑向充磁的環形永磁體提供，偏置磁通的路徑與控制磁通的路徑基本不重合，減少了控制磁通對永磁體的去磁。并且由于永磁體的存在，控制磁通的產生只需要一個很小的線圈，這樣就使得整個軸承的結構更加緊湊。

圖2 經典PARMB的結構與磁路圖

在該型磁軸承中，定子磁極采用的是四齒兩對極結構，在文獻［9］～［11］研究的交直流永磁偏置磁軸承中，采用帶三個磁極的徑向定子，軸向控制磁通與徑向控制磁通相互獨立，不存在磁路耦合，并且當轉子處于平衡位置時懸浮力與控制電流呈良好的線性關系。而在文獻［12］～［13］中，該經典結構PARMB的軸向定子被改為雙片式八極(2片4極)軸向、徑向雙磁極面進行研究，其研究表明雙磁極面的設計方法增大了磁極的可利用面積，使可承受的負載和外擾力得到提高，并且散熱情況還得以改善。

在如圖3所示的PARMB中，以軸向定子套于徑向定子外圈的方式減少軸承軸向空間的占據。偏置磁場通過貼裝在徑向定子外部的環形永磁體來提供。徑向平面的控制磁通通過改變軸向方向的偏置磁通來得到徑向力，同時控制磁通被引入到軸向平面以產生軸向力［14］。在該軸承中徑向定子采用了對稱結構，提高了磁懸浮系統的穩定性。并且由于軸向控制磁通與徑向控制磁通相互獨立，磁路之間不會產生耦合。

圖3 PARMB的結構與磁路圖

圖4中的PARMB的轉子鐵心末端采用圓錐結構，這種設計促使徑向承載力中包含有大小相等、方向相反的軸向力，控制磁通流經各自的空氣隙與偏置磁通沒有交集，降低了磁阻損耗。但由于軸向長度過長其很難在超高速場合得到應用［15］。

圖4 錐形PARMB的結構與磁路圖

1.2 經典PARMB工作原理

經典結構PARMB在三個自由度上的工作原理相同，這里以軸向方向為例來說明其工作原理，如圖5所示。在沒有外擾力的情況下，由于結構對稱，轉子在永磁體的作用下穩定懸浮于平衡位置。當一個水平向左的外擾力出現并趨勢轉子向左運動時，轉子左邊的氣隙隨之減少，磁通ΦPMZ2增加;轉子右邊的氣隙隨之增大，磁通ΦPMZ1減少。同時轉子偏離平衡位置的信號被位移傳感器檢測到，并通過控制器將這一位移信號轉變成控制信號，之后功率放大器又將控制信號轉換成控制電流，經軸向控制繞組產生軸向控制磁通ΦZEM。軸向控制磁通與偏置磁通進行疊加，使氣隙Z1處的總磁通增加，氣隙Z2處的總磁通減少，根據磁場的吸力與磁通的關系可知，轉子受到一個向右的電磁吸力，轉子回到原來的平衡位置。如果此時轉子受到一個水平向右的外擾力，同理可恢復到平衡位置。

圖5 經典結構PARMB的工作原理圖

2 PARMB的應用

永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承在旋轉系統中具有很好的靜態、動態性能，并且由于損耗低、體積小、臨界轉速高等特點，其已在多個國家的工業領域取得了應用。

2.1 高速電動/發電系統

經典結構PARMB由于結構緊湊，磁滯損耗少，在高速電動/發電系統中得到了很大的應用。1993年Calnetix公司將其成功應用于功率100 kW，轉速達60 000 r/min的電動/發電機系統中［16］。2007年德國達姆施塔特工業大學研制出一60 000 r/min，500 W的無軸承高速電機，其使用了永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承［17］。2010年蘇黎世聯邦理工學院電力電子實驗室與Levitronix公司合作將上述磁軸承與一個主動磁軸承集成到一個50萬轉的超高速電機系統中，該系統轉子由一個1 kW的永磁同步電機驅動［18-19］。

2.2 飛輪裝置

磁懸浮軸承可以實現飛輪運動時轉子的無接觸支撐，早在上世紀70年代，美國航空航天局Goddard空間飛行中心就研究出一三自由度的動量飛輪，其通過采用永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承來實現轉子軸向與徑向的穩定懸浮［20］。2000年德州大學機電研究中心與其工業合作伙伴——Calnetix、聯信航空以及AVCON公司將一個高性能飛輪電池成功應用于一個重達12 725 kg的混合動力電動公交客車上，該系統采用轉速達40 000 r/min、功率為150 kW的永磁同步電機與永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承來實現2 kW·h的復合材料飛輪的穩定懸浮［6］。2001年德州大學的奧斯汀機電研究中心在美國防御作戰混合動力系統計劃的贊助下，研制出一用于5 MW飛輪電池的主動磁懸浮軸承，該主動磁懸浮軸承由一個永磁偏置徑向磁懸浮軸承和一個永磁偏置軸向徑向磁軸承構成，其中飛輪轉子的重量為318 kg，轉速達到 20 000 r/min［21］。

3 結 語

永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承集軸向徑向磁懸浮軸承于一體，大大簡化了5自由度磁軸承的結構設計，改善了高速運行下轉子的動態特性，從文中的應用實例可以看出該類磁軸承在懸浮支承系統中具有很高的應用價值。因此，研究出尺寸更小、重量更輕、控制簡單的永磁偏置軸向徑向磁懸浮軸承，并使其能夠在飛輪儲能電池等低功耗裝置中得以廣泛應用是未來磁軸承發展的一個必然趨勢。

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