永磁偏置轴向磁悬浮轴承拓扑结构研究现状

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近年来，国内生产总值 大幅提高，但是单位GDP能耗还处于比较高的水平。发展低碳经济已经成为我国经济发展的重要主题。磁悬浮支撑技术，因其独有的特性，符合我国低碳经济发展的要求，是-种节能环保、可持续发展的绿色制造技术。

磁悬浮轴承(简称磁轴承)是通过磁场力作用将转、定子分开，使两者之间无机械接触的-种新型电子控制轴承 J。传统轴承转、定子之间的机械接触阻碍了其高速运转，而磁悬浮轴承克服了这-缺点故而转子可以达到很高的转速。传统的机械轴承具有功耗高、机械磨损大、寿命短和污染大等诸多缺点，而磁轴承很好地克服了这些缺点2，近年来在航空航天、军工、能源和人工心脏泵等领域得到广泛应用。

磁轴承按照磁场的产生方式，可以分为三类：永磁型磁轴承、电磁偏置型磁轴承和永磁偏置型磁轴收稿 日期：2013-05-16基金项 目：江苏省普通高校研究生科研创新计划 (CXZZ120424)国家自然科学基金项目(51277092)江苏势技支撑计划项目(BE2011188)承，其中永磁偏置型磁悬浮轴承采用永磁体建立偏置磁场，有效降低了功率损耗，在-些对功率损耗有高要求的诚具有其独特的优越性，在磁悬浮轴承技术发展的过程中扮演着重要的角色。

从上世纪60年代开始，国外研究人员针对永磁偏置型磁悬浮轴承诸多特点对其展开了研究，并设计出了多种拓扑结构的永磁偏置磁轴承。本文针对几种具有代表性的永磁偏置轴向磁悬浮轴承(以下简称 PAMB)拓扑结构进行了研究，分析各种结构的优缺点，就其中-种经典结构分析了其工作原理。

本文最后指出PAMB的工业应用诚，并对它的未来发展进行了研究。

1 PAMB的结构及工作原理现如今能源危机不断加深，磁悬浮轴承技术在风力发电等新能源诚已经得到越来越多的应用 。在实际应用中大部分采用永磁轴承，这样能够降低磁轴承的励磁功耗，但是永磁轴承至少在-个 自由度方向上是不稳定的，所以需要配合其他轴承工作使转子稳定悬浮，从而能够保证 PAMB可以大规模的用于实际应用中。

1.1 PAMB几种拓扑结构分析文献[4-8]中研究了5种不同的 PAMB结构。

张广明，等 永磁偏置轴向磁悬浮轴承拓扑结构研究现状 堕整 . 蔓 塑 旦- -针对这 5种拓扑结构，分别对他们的结构、磁路以及优缺点进行了分析。图 1-图5中，左侧是磁轴承的结构示意图，右侧是工作原理图。

文献[4]中介绍了-种经典的PAMB，结构与磁路图如图1所示 ，该结构由环形永磁体、轴向定子、内外转子铁心、轴向控制绕组和转轴组成。由于径向充磁永磁体安装在内外转子铁心之间，在加工磁轴承的时候安装难度明显加大，而且上述结构特点导致转轴的机械强度减小，当转子高速转动时转子产生的径向位移会对气隙中的偏置磁场产生影响。

想要解决以上问题，在工业应用中-般会采用外转子形式环 团团蕊 - 永磁倔置磁通 控制磁通(Fl司)图1 经典 PAMB的结构与磁路图文献[5]中研究了-种控制绕组安装在转子上的PAMB，结构和磁路图如图2所示。该磁轴承包括轴向定子，两个相对的轴向推力盘，环形永磁体安装在定子上，控制绕组在隔磁导向筒的辅助下安装在转子上。正因为控制绕组安装在转子铁心上，增加了加工难度，在高速诚的应用具有-定局限性。

安装隔磁材料的目的是防止轴向定子两侧的轴向充磁永磁体漏磁大，整体工作量也随之增加。采用这种设计的转子必须要热套在转轴上，这样才能确保磁轴承可以在高速状态下正常工作。

图2 外转子 PAMB的结构与磁路图文献[6]中研究了-种存在第二气隙的PAMB，该磁轴承常应用于动量飞轮装置中，其结构与磁路图如图3所示。该轴承的环形永磁体安装在轴向定子的内侧，并且留有用作轴向控制磁通通路的第二气隙。第二气隙的存在必然会导致控制磁场的磁路损耗增加，偏置磁场漏磁现象也会严重。

珊 口团 圆画图3 含第二气隙 PAMB的结构与磁路图文献[7]中提出的 PAMB的拓扑结构，在永磁体侧也设计了第二气隙，具体结构和磁路如图4所示。该 PAMB每个轴向定子的内外侧都绕有需要单独控制的控制线圈，该磁轴承需要的功率放大器数量增加，整体控制系统也变得复杂。不过该磁轴承的轴向尺寸减少了很多，能够满足-些需要限制轴向尺寸的诚。

焉塑 墼 轴 口 西 奸 U图 4 多绕组 PAMB的结构与磁路图文献 [8]中研究的 PAMB结构比较紧凑，轴向尺寸大为减小，具体结构和磁路图如图 5所示。安装在轴向和径向定子之间的永磁体产生偏置磁通，轴向控制绕组采用串联联接绕于轴向定子磁极上，产生的控制磁通的方向是-致的。该磁轴承把轴向定子安装在径向定子的外端，整体结构显得比较立体，而且永磁体可以隔断轴向控制磁惩径向偏置磁场，径向定子和轴向控制磁场之间完全解耦。这种结构的PAMB控制磁路较短，励磁损耗也相对较小，能够满足飞轮储能等绿色能源装置对磁轴承支撑功耗的要求。

理 凰墨蒋 蘑图5 紧凑型PAMB的结构与磁路图 i f张- 1.2经典 PAMB的工作原理 ：明经典 PAMB由永磁体在轴向气隙间产生静态 等偏置磁场，在电磁线圈没有通电的情况下，永磁体在 永轴向气隙间产生等量的偏置磁通，转子在左右气隙 裙间受到的轴向合力为零，此时转子铁心处于平衡位 j磊置。当转子产生轴向位移 时，永磁体在轴向气隙 旦间产生不相等的偏置磁场，转子不能稳定在平衡位 j墨置。想要让转子回到平衡位置，需要加-个主动闭 !辐环控制系统去控制电磁线圈的电流产生控制磁常传感器检测到的位移信号作为反馈信号与参考位置 ：比较后，经控制器产生控制电压 ，最后通过功率 ；放大器产生控制电流，控制电流流过电磁线圈产生 ；尧控制磁池制磁惩偏置磁场叠加后，轴向气隙 簇- 个方向的磁场增强，另-个方向的磁初弱。转子在两个方向上产生的力的大小不-样，在回复力F的作用下回到平衡位置。 65 歹 议持电棚 2013年第41卷第8期 -0/ ： - 诟 .' - 二：：：- . ：. ： ： ：图6 经典 PAMB控制系统2 PAMB的应用及未来发展随着国内外研究人员对永磁偏置轴向磁轴承的研究不断深入，研究成果也不断成熟。在现代工业领域，PAMB主要用于高速电机和飞轮装置中。在高i速电机方面：2000年，美国空军实验室和两家美国公司共同开发了-套五自由度磁悬釜关磁阻电机系统，额定功率为250 kW，转子转速可达到 42 000r/min，在轴向上使用了全电磁型轴向磁轴承实现转子稳定悬浮 ；在国内，沈阳工业大学等高校共同；承担的国家自然科学基金重点项 目微型燃气轮机j-高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”，研!制了采用永磁偏置磁轴承的75 kW、60 000 r/min的高速永磁电机 ” 。在飞轮装置方面：美国 SatCon：公司于20世纪90年代开发出的转速达到24 000 r/j s的飞轮装置中，也利用了 PAMB实现其悬浮 ；；北京航空航 天大学 于 2009年研制 出-种新型：PAMB用于飞轮系统中，与典型磁轴承系统相比，轴向尺寸明显减小，而且径向等效力臂大于原系统的li 2倍 ”- 。

经过国内外研究人员的不断研究，提出了诸多：的拓扑结构，磁轴承的体积不断缩小，磁轴承的励磁功耗也在不断降低。永磁偏置轴向磁轴承未来发展广j可以归纳为以下几个方面：(1)向结构简单、低功耗的方向发展。如采用j圆盘状的转子铁心，可以缩短轴向长度，提高临界转餮 速，文献[15]中把环形永磁体安装在轴向定子中，堡j使得控制磁通和偏置磁通只在轴向流通，缩短了磁轴 通的磁路，降低了励磁损耗；越i (2)向高精度、低加工难度、低漏磁的方向发霪i展。文献[16]中研究的风力发电机中采用的i PAMB，其轴向转子和转轴采用整体式结构，工作时括i-起旋转，降低了加工难度，同时也增加了系统的稳i定性，减少了漏磁；i (3)向外转子形式的 PAMB方 向发展。文献窭i[17]介绍了航天器中用的扁平型外转子飞轮装置，联i这种混合磁悬浮轴承中的PAMB设计成外转子形式，其目的就是增加飞轮的重量，从而使飞轮储存的；动能大大增加；66： (4)向薄片化结构的PAMB方向发展。在医药这个特殊场，合薄片式的 PAMB具有其独特的优势。文献[18-19]中介绍了-种薄片式 PAMB用作人工心脏泵，是通过改变异极性轴承的永磁体磁极的厚度，来控制轴向的被动悬浮力，实现磁悬浮转子的三自由度悬福3结 语永磁偏置轴向磁轴承利用永磁体提供偏置磁场，其结构简单，可独立控制，系统的可靠性得以提高，为永磁偏置轴向磁轴承在高速电机、飞轮装置等领域的应用提供了条件。本文分析研究了-些典型的永磁偏置轴向磁轴承的磁路结构和工作原理，对永磁偏置轴向磁轴承的未来发展总结出-些方向。

总之，设计出小体积、低功耗、高性能的永磁偏置轴向磁轴承会是以后研究的主要内容。