永磁偏置徑向磁軸承拓撲研究及其進展

趙旭升

(南京科技職業學院,南京 210048)

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永磁偏置徑向磁軸承拓撲研究及其進展

趙旭升

(南京科技職業學院,南京 210048)

永磁偏置徑向磁軸承能夠實現轉子的徑向兩自由度懸浮，是應用最為廣泛的永磁偏置磁軸承。對永磁偏置徑向磁軸承的研究現狀進行了詳細闡述，將徑向磁軸承分為同極性和異極性兩類分別研究，分析其結構及工作原理，進行類比,并指出其應用場合。對其拓撲的未來發展進行了展望，結合應用場合提出了多種結構形式的永磁偏置徑向磁軸承，低功耗、結構簡單、加工安裝方便、控制性能優越的磁軸承仍將是重點研究領域。

永磁偏置徑向磁軸承;拓撲結構;工作原理;發展

0 引 言

磁軸承由于定轉子之間無機械摩擦，機械損耗小，在高速場合有著較為廣泛的用途，并在高溫、高壓等多種嚴苛環境中能得以應用[1]。隨著稀土永磁材料的廣泛應用，利用永磁體提供偏置磁通的永磁偏置型磁軸承成為磁軸承研究的熱點[2-3]，為充分利用永磁體的磁能、降低勵磁功耗，國內外研究人員提出了眾多的拓撲結構，徑向兩自由度磁軸承既可以單獨應用，也與軸向單自由度、軸向徑向三自由度構成五自由度磁懸浮系統，應用最為廣泛，拓撲形式眾多[4-32]，在此對其進行研究。永磁偏置徑向磁軸承(以下簡稱PRMB)一般分為同極性和異極性兩類，本文對這兩類磁軸承的拓撲分別進行研究，并對PRMB的拓撲結構未來發展進行了展望。

1 同極性PRMB

同極性PRMB是指偏置磁通在定子磁極上產生的極性相同，渦流和磁滯損耗相對較小，在動量飛輪、飛輪儲能等高速場合已有較為廣泛的應用。但由于其偏置磁通和控制磁通的流通路徑不在一個平面上，軸向長度較長，漏磁相對較大，電磁場分析需利用三維仿真來進行。

文獻[4-10]研究了一種定子貼裝永磁體的PRMB，結構示意圖如圖1所示。該PRMB包括兩個徑向定子，徑向定子為左右相同的四齒兩對極結構，位于兩徑向定子之間的永磁環采用軸向充磁，兩側的定子磁極極性相同，為同極性PRMB；產生控制磁通的徑向控制繞組繞在定子磁極上，與永磁體共同作用，實現轉子的徑向兩自由度懸浮。該PRMB的磁懸浮機理(以水平方向為例，磁路圖如圖1所示)：在穩定狀態下，轉子上的合力為零，但若轉子向左偏移，則右側氣隙增大，左側氣隙減小，此時右側氣隙中的控制與偏置磁通相互增強，左氣隙中控制與偏置磁通相互減弱，在轉子上形成向右的合力，將轉子穩定在中心點。同理，向左和垂直方向工作原理相同。

圖1 同極性PRMB拓撲一結構示意圖

該型PRMB軸向長度相對較長，繞組較多，結構較為復雜，但其徑向磁極都能主動控制，懸浮性能較好，在實際中得到了較為廣泛的應用。

文獻[11]以上述拓撲為基礎，提出一種有第二氣隙的外轉子PRMB，如圖2所示。定子上套裝有內導磁體，永磁體嵌于其內，永磁體外側有第二氣隙，作為控制通路。兩自由度間通過隔磁體隔開，避免了磁通在徑向兩自由度之間的耦合，提高了控制性能，并將其用于磁懸浮飛輪裝置中。但正是由于第二氣隙的存在，導致偏置磁路及控制磁路的漏磁增大，損耗增大，同時結構復雜，加工及安裝難度大。懸浮機理與拓撲一相同。

圖2 同極性PRMB拓撲二結構示意圖

文獻[12]在圖1的PRMB拓撲基礎上，將兩個控制繞組串成一個，置于轉子外側。文獻[13]則將這種拓撲變換成外轉子形式，用于支撐動量飛輪。該PRMB將轉子鐵心置于徑向定子腔內，結構復雜，加工及安裝難度較大。

圖3 同極性PRMB拓撲三結構示意圖

由于拓撲一的PRMB有兩側徑向定子，結構復雜，文獻[14]研究了一種PRMB，如圖4所示。一側徑向定子只作為偏置磁路，只用一側徑向定子控制懸浮，結構變得簡單，軸承的軸向長度相對變短，有助于轉子臨界轉速提高。但由于用作偏置磁路的徑向定子不能主動控制，在轉子偏心時，會產生相應的被動承載力，影響控制性能。文獻[15]以此為對象進行了研究和設計。

圖4 同極性PRMB拓撲四結構示意圖

文獻[16]以上述PRMB為基礎，將控制磁極改為八個磁極，如圖5所示，旨在提高軸承的容錯能力。

為了進一步簡化磁軸承的結構，并利用傳統三相逆變器作為開關功放，磁軸承研究人員提出將傳統四磁極PRMB變換成三磁極，Boris.G對拓撲一PRMB進行了變換[17]，如圖6所示，結構變得簡單，其懸浮控制需采用數字控制器來實現。其工作原理是基于交流電機的3/2坐標變換原理實現轉子的徑向兩自由度懸浮。該型PRMB雖然減少了控制繞組，但徑向兩自由度控制磁通的耦合，反而增加了控制的難度，降低了懸浮性能。

圖5 同極性PRMB拓撲五結構示意圖

圖6 同極性PRMB拓撲六結構示意圖

文獻[18]研究了一種應用于高溫場合的PRMB，其以上述研究為基礎，將拓撲一PRMB的徑向定子由四磁極變換成六磁極，如圖7所示。兼有容錯和三磁極特點，永磁體由軸向充磁改為徑向充磁，放置位置由定子中間變成置于兩個徑向定子外圓上。

圖7 同極性PRMB拓撲結構七結構示意圖

Fukata.S于1996年提出了一種轉子套裝永磁體的PRMB[19]，如圖8所示。永磁體采用軸向充磁，貼裝在兩轉子鐵心間，兩徑向自由度間用隔磁材料隔開，旨在消除磁路耦合，但受限于轉子鐵心的外徑，永磁體面積受到限制，導致永磁體長度較長，勢必會增大磁路磁阻；同時，為防止高速旋轉時永磁體脫落，永磁體需要包裹或固定，其懸浮機理與上述結構都相同。比較而言，定子加裝永磁體的結構相比于轉子永磁體的結構，結構穩定，加工安裝方便。

圖8 同極性PRMB拓撲八結構示意圖

文獻[21]提出了一種同極性PRMB，如圖9所示。其中，徑向定子為四磁極結構，永磁環采用徑向充磁，貼裝在徑向定子外表面，位于徑向定子兩側的定子圓盤用作偏磁通路，其結構簡單，磁路對稱，但由于定子圓盤為被動控制，在高速旋轉時會產生較大的被動懸浮力，增加了控制難度。

圖9 同極性PRMB拓撲九結構示意圖

文獻[22]研究了一種用于動量飛輪的PRMB，其借助于拓撲一，將其變換成外轉子結構形式，兩自由度間利用隔磁材料隔開，偏置和控制磁通完全解耦，結構及磁路圖如圖10所示，但需要8個徑向控制繞組產生控制磁通，結構較為復雜。

(a)(b)(c)(d)

(e)

2 異極性PRMB

相比于同極性PRMB，當偏置磁通在徑向定子磁極上形成的磁極性不同時，即稱為異極性PRMB。其渦流和磁滯損耗較大，但其偏置磁通和控制磁通在一個平面上流通，軸向長度較短，有助于轉子臨界轉速的提高。

異極性PRMB的發展是伴隨著永磁材料性能的提升而不斷發展的，最初的拓撲都是在主動型磁軸承的基礎上發展而來的，文獻[23]研究了一種異極性PRMB，結構及磁路圖如圖11所示。從圖11中可見，這種PRMB是在八磁極電勵磁磁軸承的定子磁軛中插入圓弧狀永磁體，利用永磁體提供偏置磁通，降低了磁軸承的勵磁功耗，與控制磁通共同作用實現轉子的徑向兩自由度懸浮。由于永磁體夾在定子磁軛中間，導致永磁體及整個磁軸承的制作加工都較為困難。

圖11 異極性PRMB拓撲一結構示意圖

就工作原理而言，異極性PRMB與同極性PRMB近似相同，具體到該型PRMB，當轉子向左偏移，2、3磁極下控制磁通與偏置磁通是相加的，6、7磁極下控制磁通與偏置磁通是相減的，則轉子鐵心上產生向右的懸浮力。同理，在向右和垂直方向可以得出類似的結論。但從磁路圖可見，在2、3磁極氣隙磁通增大的同時，5、8磁極氣隙磁通也增大，產生了方向向左的承載力，削弱了向右的主磁承載力，這就增加了磁軸承的勵磁功耗，降低了磁軸承的懸浮性能。同時，在轉子鐵心偏心時，兩自由度之間的耦合嚴重。

Christian. E在2004年第9屆磁軸承會議上研究了一種異極性PRMB[24]，其結構及磁路圖如圖12所示。該型PRMB與拓撲一相類似，同樣是在定子磁軛中嵌入圓弧狀永磁體，用于產生偏置磁通。為簡化PRMB的結構，消除兩自由度間的控制磁通耦合，控制磁極減少為四個。由于永磁體磁阻較大，在此附加了外部定子鐵心作為控制磁路(如圖12中虛線所示)。由于控制磁路置于轉子外作為一附加磁路，磁路增長，結構復雜，增加了軸承的設計和加工難度。但其兩自由度的控制磁路彼此獨立，實現了很好的解耦，控制性能優越，其工作原理與拓撲一相類似。文獻[25]研究了一種八磁極的PRMB，如圖13所示。有四個控制磁極，四個嵌裝片狀永磁體的永磁磁極，相比于圖11，結構大為簡化，偏置磁極性交替排列，控制繞組串聯相接。國內外眾多文獻對其研究較多[2,26-27]，其工作原理與同極性PRMB近似相同。

圖12 異極性PRMB拓撲二結構示意圖

圖13 異極性PRMB拓撲三結構示意圖

但該型PRMB四個永磁磁極為被動控制，在轉子高速懸浮時，這種被動懸浮力會增大PRMB的勵磁功耗。針對該型PRMB的優缺點，文獻[27]對其進行了性能分析及參數優化設計。文獻[28]也對其提出了改進的拓撲結構，其結構圖如圖14所示。圖14(a)利用平行于徑向定子的環形片狀永磁體提供偏置磁通，為避免永磁體通過徑向定子形成閉合回路，在徑向定子磁軛中加裝片狀永磁體用以隔磁，迫使永磁磁通通過轉子鐵心。但這種PRMB結構復雜，漏磁嚴重，永磁體安裝困難且得不到充分利用。圖14(b)則是在徑向定子磁軛中加裝片狀永磁，控制磁通經過永磁體，為解決永磁磁阻大的問題，將控制磁極氣隙設定為大氣隙，與永磁體的充磁方向的厚度相同。但這種結構必然會導致非常大的漏磁，控制磁路的磁阻大，效率較低。

(a)徑向定子間加裝永磁體的磁軸承

(b)定子磁軛中加裝永磁體的磁軸承

文獻[29]提出了一種用于磁懸浮動量飛輪的異極性PRMB，如圖15所示。它為外轉子結構，結構與圖14(b)相類似，但在永磁體處留有第二氣隙，用于作為控制磁通的磁路。相比于上述結構，勵磁損耗得以減小，但第二氣隙的存在勢必會增大永磁體的漏磁，增加控制磁路的磁阻，增大磁軸承的勵磁損耗。

圖15 異極性PRMB拓撲五結構示意圖

文獻[30]中也提出了一種改進型結構，如圖16所示。結構更為復雜，徑向磁極的加工和安裝都極為困難，其利用前后兩個磁軸承疊裝而成，每個磁軸承控制一個徑向自由度，相比于八磁極徑向磁軸承，設計加工極為困難，控制繞組增加一倍，磁軸承的勵磁功耗較大。

(a)徑向磁軸承的分解圖(b)徑向磁軸承的裝配圖

圖16 異極性PRMB拓撲六結構示意圖

文獻[31]提出了一種采用外轉子形式的異極性PRMB，如圖17所示，用于動量飛輪。徑向定子利用隔磁材料隔開，控制磁路解耦，但偏置磁路彼此耦合，同時外轉子不易采用硅鋼片疊壓，鐵損較大，需利用八個徑向控制繞組實現轉子的徑向懸浮，結構較為復雜。

圖17 異極性PRMB拓撲七結構示意圖

與同極性PRMB相同，國內外研究人員同樣將三磁極應用于異極性PRMB。 Reisinger.M研究了一種六磁極PRMB[32]，如圖18所示。相比于圖13，永磁磁極和控制磁極都變成三個，利用3/2變換原理實現徑向兩自由度的懸浮；同樣，其徑向兩自由度之

圖18 異極性PRMB拓撲八結構示意圖

間彼此耦合，反而增加了控制的難度。文獻[33]將其變換為外轉子結構形式，用于大容量硬盤存儲設備中。

3 PRMB拓撲的未來展望

PRMB作為一種低功耗磁軸承，其拓撲形式的選擇與應用場合密切相關，對應用需求進行分析，選擇并設計出適合于某場合的功耗低、結構簡單、控制方便的PRMB應是未來主要的研究內容：

(1)功耗低、結構簡單、設計加工安裝方便是一個主要方向。從降低功耗而言，可將同極性PRMB定子槽閉合，減少偏置磁通在磁極間的變化，降低轉子鐵心中的鐵損，降低整個PRMB損耗，但控制繞組的嵌線相對困難，需采用穿線的方式進行。從結構簡單而言，可將四磁極變換為三磁極，利用三相逆變器作為開關功放，但自由度之間磁路要耦合；同時，同等承載力的情況下，三磁極PRMB軸向長度要長[34]，這都制約其在超高速場合的應用。

(2)由于異極性PRMB是共面PRMB，漏磁較小，軸向長度相比于同極性PRMB相對較短，有助于轉子臨界轉速的提高。在電勵磁磁軸承結構的基礎上，通過將永磁體間隔加裝在定子磁極或定子磁軛上，可制成異極性PRMB，但要考慮永磁磁極的被動控制。

(3)將PRMB的徑向定子磁極數增加為八個或六個，可使其具有徑向容錯、冗余功能。

(4)在設計時，在不影響氣隙磁通的情況下，要盡可能降低PRMB的加工和安裝難度。如將一些軸向充磁的永磁體變換成徑向充磁，通過改變其安裝位置，以求降低實際中的加工和安裝難度。

(5)當PRMB應用于動量飛輪或飛輪儲能電池中時，為進一步提高飛輪質量，可將PRMB變換成外轉子結構形式。

(6)在高速磁盤、制藥等特殊應用領域，由于結構或位置的要求，可將多種異極性PRMB制成薄片狀。

(7)為進一步提高控制性能，可考慮如何利用隔磁材料消除徑向兩自由度間的磁路耦合。

4 結 語

PRMB利用永磁體提供偏置磁通，功耗低，能夠實現轉子的徑向兩自由度懸浮，在磁軸承中應用最為廣泛。本文研究了具有代表性的PRMB拓撲結構，分析其結構及工作原理，并就PRMB拓撲的未來研究進行了展望，綜合而言，低功耗直至零功耗、結構更為簡單、加工和安裝方便、控制性能優越的PRMB仍將是未來研究的一個主要方向。

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Research and Development of Permanent Magnet Biased Radial Magnetic Bearing Topology

ZHAOXu-sheng

(Nanjing Polytechnic Institue,Nanjing 210048,China)

Permanent magnet biased radial magnetic bearing (PRMB) which can achieve 2-D suspension of rotor,is the most widely used for the permanent magnet biased magnetic bearing. In this paper, the research status of permanent magnet biased radial magnetic bearing were expounded in detail. PRMB were sorted as homopolar and heterpolartwo types radial magnetic bearing. Their configurations and operating principles were studied. Same type's magnetic bearings were compared and where they can be applied was pointed out. Many PRMBs' topologies were advanced. PRMB with low power consuming, simple structure and easy controlled will be a primary researching direction.

permanent magnet biased radial magnetic bearing (PRMB); topology configuration; operating principle; development

2015-06-15

江蘇省第四批“333”資助項目

TH133.3；TM351

A

1004-7018(2016)01-0081-06

趙旭升(1971-)，男，博士，教授，研究方向為電機控制、磁軸承技術。