永磁懸浮磁路結構的優化設計

周彤 ， 王國民

（1.中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所，南京 210042；2.中國科學院天文光學技術重點實驗室，南京210042；3.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

南極地區在天文觀測領域的具有絕佳的優勢，世界上許多國家先后在南極安裝了天文觀測設備，我國也于2008年在南極Dome A成功安裝了我國研制的首臺南極光學望遠鏡CSTAR。但是南極天文望遠鏡所處的環境決定了傳統軸承很難正常運行及維護，而采用拼接永磁體結構的支撐軸承由于可避免機械接觸摩擦，非常適合在南極復雜的環境及維護不便的條件下使用［1-3］。為了提高采用拼接永磁結構的永磁軸承運轉的穩定性，本文通過探討永磁支承的力學特性，借助有限元分析軟件對不同結構的永磁支承進行分析計算，尋找大承載力的拼接式永磁支承的合理設計方案。

本文分別對無聚磁極結構和有聚磁極結構的永磁支承進行仿真，對承載能力和穩定性能進行分析，即通過比較轉子永磁體所受懸浮力的大小和懸浮力的波動性來優化永磁懸浮磁路的結構［4-7］。

1 無聚磁極磁懸浮結構及力學計算

1.1 無聚磁極計算模型

拼接永磁支承采用上下兩部分結構，下部分為定子永磁圈，采用32塊永磁體拼接而成，上部分為轉子永磁體。由于永磁體的拼接難免產生縫隙，現將模型簡化，定子永磁體定子間拼接縫隙以角度δ表示，δ=0.2°，定子永磁體內徑R1=202.5 mm，外徑R2=250 mm，扇形定子與扇形轉子永磁體的角度大小相等，α=11.05°，定子永磁體厚度為6 mm，轉子永磁體厚度為10 mm。如圖1所示，陰影部分表示轉子永磁體，建模時將定子永磁體的尺寸固定，通過調整轉子的內徑、外徑來改變扇形轉子的大小，永磁材料的特性如表1所列。

圖1 扇形轉子-扇形定子示意圖

由于拼接永磁支承是圓周對稱結構，為了計算波動率，可以選擇一個周期進行懸浮力的仿真計算。建立由4個定子永磁體和1個轉子永磁體組成的簡化模型，如圖2所示，轉子永磁體逆時針轉動11.25°為一個周期。

表1 永磁材料特性

圖2 無聚磁極結構永磁體建模

1.2 懸浮力及波動率分析

轉子永磁體與定子永磁體間空氣隙的高度對懸浮力有較大影響［8-9］，調整該空氣隙的高度 t，分別取 t=1～5 mm，設定轉子永磁體底面積為1000 mm2，求得該轉子永磁體在不同空氣隙下的磁懸浮力的大小，繪制一個周期內懸浮力的變化曲線，如圖3所示，并計算懸浮力波動率，在表2中列出。

表2 懸浮力波動率對比

圖3 無聚磁極結構懸浮力隨轉動角度的變化曲線

由圖3及表2可以看出，底面積為1000 mm2的扇形轉子在轉動過程中受到的懸浮力有較大波動，但懸浮力波動隨著轉子與定子間空氣隙的增大呈現減小的趨勢；懸浮力隨轉子懸浮空氣隙的增加略有提高，但總體維持在較低水平，永磁支承的承載性能無法保證。

2 有聚磁極磁懸浮結構及力學計算

2.1 有聚磁極計算模型

如前面所述，單純采用拼接永磁支承結構不能在降低波動性的同時提高承載性能，需要對磁路結構進行重新設計。研究表明，聚磁極結構對強化磁場有重要的作用［10-11］。在聚磁極結構中，定子永磁圈采用的是徑向磁化的永磁體拼接而成，其剖面圖如圖4所示，定子永磁圈結構由內、外兩圈永磁體以及聚磁材料組合而成，內、外兩圈永磁體的磁化方向相反，故磁感線可在中部聚磁材料處得到匯集，形成較大的局部磁場，使轉子永磁體獲得較大的懸浮力。下面將選用鑄鐵做聚磁材料，分析聚磁極對永磁懸浮磁路的影響。

圖4 帶聚磁極結構的拼接永磁支承示意圖

建立如圖5所示的永磁體和聚磁極的簡化模型，轉子永磁體逆時針轉動11.25°為一個周期。

圖5 有聚磁極結構永磁體建模

2.2 聚磁極寬度對懸浮力的影響

聚磁極結構主要用來匯集磁場，提高聚磁材料處的磁感應強度，聚磁材料的寬度對磁懸浮力的影響在懸浮空氣隙較小的范圍內比較明顯，下面將通過仿真研究聚磁材料寬度對轉子永磁體懸浮力的影響。具體分析過程主要通過調整中部聚磁材料的寬度來進行，選取轉子底面積為1000 mm2，轉子與定子間空氣隙高度t=2 mm，圖4中兩側聚磁材料寬度W1=2 mm，中間聚磁材料寬度W2分別設定為1～10 mm，模擬轉子永磁體所受懸浮力的大小，并繪制懸浮力曲線，結果如圖6所示。

圖6 懸浮力隨聚磁材料寬度的變化曲線

由圖6可知，對于底面積為1000 mm2的扇形轉子永磁體而言，隨著中間聚磁材料寬度的增加，轉子所受懸浮力逐漸減小，那么減小中間聚磁材料的寬度將可以提高永磁支承的承載力。

2.3 懸浮力及波動率分析

與無聚磁極結構的計算相同，有聚磁極結構的懸浮力及波動率分析需要考慮轉子與定子間空氣隙的高度的影響，設定轉子底面積為1000mm2，空氣隙的高度t=1～5mm。根據圖6的計算結果以及實際工程的可行性，選取中間聚磁極寬度W2=1 mm。

求得不同空氣隙下的磁懸浮力的大小，繪制如圖7所示的一個周期內懸浮力的變化曲線，并計算懸浮力波動率，在表3中列出。

圖7 有聚磁極結構懸浮力隨轉動角度的變化曲線

表3 有聚磁極結構的永磁支承懸浮力波動率的對比

由圖7及表3可以看出，引入聚磁極結構后，在相同的轉子底面積（1000 mm2）和相同的空氣間隙（1～5 mm）的情況下，懸浮力的大小和穩定性都得到了很大提高。表4列出了平均懸浮力和平均波動率。

從表4可以看出，引入聚磁極結構提高了永磁支承的承載性能，平均懸浮力由30.31N提高到90.17N，同時降低了懸浮力的波動性，平均波動率由3.22%下降到0.39%，實現了承載力和穩定性的同步提升。

表4 有無聚磁極結構懸浮力及波動率對比

3 結語

本文對特殊要求下的軸系支承進行分析，建立拼接式永磁支承模型，分別對無聚磁極結構和有聚磁極結構的永磁支承進行了初步研究，通過仿真分析分別探討了轉子永磁體懸浮空隙的大小對于懸浮力的影響，聚磁材料寬度對于懸浮力的影響，比較了永磁支承的承載能力和穩定性。結果表明：采用聚磁極結構后，轉子永磁體平均懸浮力由30.31 N提高到90.17 N，承載能力顯著提升；平均波動率由3.22%降為0.39%，穩定性大幅提高。由于懸浮力及穩定性的增加，采用聚磁極結構可以縮小永磁軸承的尺寸，減輕永磁軸承的重量，實現永磁軸承結構的輕量化。

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