一种四极异极型径向混合磁悬浮轴承设计方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承设计技术领域，具体涉及一种四极异极型径向混合磁悬浮轴承设计方法。

背景技术

磁悬浮轴承因具备传统机械轴承无法比拟的优点，近年来越来越受到世界各国的高度重视。

针对化工领域中离心泵中的电机轴承存在的一些弊端：传统电机采用机械轴承支撑，机械轴承支承的转子与轴承完全直接接触、需要定期清洁保养、传统轴承因油道内参与油液的长期运行积累，能量损失很高。提出了异极径向混合磁轴离心泵，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑和密封、无油污染等一系列优点。

在设计中主要解决的关键问题有：在辅助轴承气隙确定下，考虑永磁磁极产生的被动磁拉力，设计控制磁极与永磁磁极的面积比，达到最大悬浮力的混合磁轴承，使混合磁轴承的转子稳定悬浮，通过设计控制器解决转子偏移平衡位置的问题。且控制电流不宜过大，避免较大的功率损耗。

目前传统的径向混合磁轴承设计思路是，根据给定的最大悬浮力需求

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种四极异极型径向混合磁悬浮轴承设计方法，在辅助轴承气隙确定下，考虑永磁磁极产生的被动磁拉力，设计控制磁极与永磁磁极的面积比，达到最大悬浮力的混合磁轴承，使混合磁轴承的转子稳定悬浮，通过设计控制器解决转子偏移平衡位置的问题。

技术方案：本发明提供了一种四极异极型径向混合磁悬浮轴承设计方法，包括如下步骤：

步骤1：根据其工作原理确定新的结构：设计四极异极型径向混合磁悬浮轴承，分析径向悬浮力产生机理，基于等效磁路法推导悬浮力数学模型，给出径向悬浮力方程；

步骤2：结构参数设计：确定初始设计要求进行参数设计，包括转子铁心半径、永磁体的宽度、磁极面积、线圈匝数等，采用有限元分析软件Maxwell3D建模仿真分析，对电磁参数进行优化；

步骤3：搭建Simulink控制系统仿真：采用仿真软件Maxwell，分析四极异极型径向混合磁轴承径向悬浮力，测得理想状态参数；

步骤4：四极异极型径向混合磁轴承的控制研究：设计一种数字控制系统。根据控制的性质和要求，进行模块化、系统化规划设计，以STM32 处理器为控制核心，外接驱动模块，将两者作为控制器对样机进行控制。

进一步地，所述步骤1中四极异极型径向混合磁悬浮轴承结构包括包括定子、转子和气隙，所述定子包括定子铁心、径向力控制绕组和定子永磁体；定子铁心为圆筒形，在圆筒形定子铁心的内表面沿轴向开有4n个槽，在定子铁心的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，沿周向第1、3、……、(4n-1)个齿为轴向绕组齿，第2、4、……、4n个齿为径向绕组齿，每个轴向绕组齿的双齿内端面上分别粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体，且两块永磁体的充磁方向相同；所述定子永磁体为径向充磁或径向平行充磁；每个径向绕组齿上缠绕有一个径向力控制线圈，在圆周上呈180°相对的两个径向绕组齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联之后组成径向力控制绕组；转子包括转子导磁轭筒，所述转子导磁轭筒位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

进一步地，其具体设计方法为：

1）根据结构图，画出等效磁路图，设计出各气隙处的控制磁通及偏置磁通；

2）计算出径向悬浮力公式，求出力/位移参数、力/电流参数；

3）根据径向悬浮力公式求出次级面积；

4）根据气隙控制磁通，求出径向控制绕组；

5）进一步确定转子铁心半径、转轴半径、径向定子的宽度、轴向长度和定子齿高；

6）计算永磁体的宽度和充磁厚度；

7）利用Maxwell软件画出二维模型，从磁力线图、磁密分布图、力/电流关系曲线图、力/位移关系曲线图进行分析；

8）在辅助轴承气隙确定，克服永磁磁极产生的被动磁拉力下，找出控制磁极面积和永磁刺激面积之比，得到径向悬浮力最大；

9）设计实验样机，进行静态悬浮实验和动态悬浮实验。

进一步地，所述静态悬浮实验和动态悬浮实验通过搭建新型径向混合磁轴承的控制实验平台，利用位移传感器及各种接口电路对异极径向混合磁轴承进行悬浮实验分析。

进一步地，使用CCS6.0 作为开发环境，以数字化功率分析仪、径向力测量仪对样机功率、力-电流实时监测与调试，最后将仿真值与实验值进行比较，得出结论。

进一步地，完成仿真模块，并确认理论值与实际值相符后，再继续完善异极型径向混合磁悬浮系统的结构参数，主要需要考虑位移传感器的安放、联轴器的选用、机壳大小、螺栓尺寸、控制线圈的大小及预留空间；

样机制作完成后，再基于闭环控制理论对异极径向混合磁轴承系统做控制研究；其中，控制模块采用高性能数字信号处理器进行数据处理与信号输出；径向控制绕组由直流型电源供电；位置传感器对转子位置进行检测，与给定的参考位置信号进行比较，采用STM32来控制。

有益效果：

本发明提出了异极径向混合磁轴离心泵，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑和密封、无油污染等一系列优点。在辅助轴承气隙确定下，考虑永磁磁极产生的被动磁拉力，设计控制磁极与永磁磁极的面积比，达到最大悬浮力的混合磁轴承，使混合磁轴承的转子稳定悬浮，通过设计控制器解决转子偏移平衡位置的问题。且控制电流不宜过大，避免较大的功率损耗。

附图说明

图1为本发明一种四极异极型径向混合磁悬浮轴承设计方法流程图；

图2为本发明异极混合磁轴承的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种四极异极型径向混合磁悬浮轴承设计方法，包括如下步骤：

步骤1：根据其工作原理确定新的结构：设计四极异极型径向混合磁悬浮轴承，分析径向悬浮力产生机理，基于等效磁路法推导悬浮力数学模型，给出径向悬浮力方程；

步骤2：结构参数设计：确定初始设计要求进行参数设计，包括转子铁心半径、永磁体的宽度、磁极面积、线圈匝数等，采用有限元分析软件Maxwell3D建模仿真分析，对电磁参数进行优化；

步骤3：搭建Simulink控制系统仿真：采用仿真软件Maxwell，分析四极异极型径向混合磁轴承径向悬浮力，测得理想状态参数；

步骤4：四极异极型径向混合磁轴承的控制研究：设计一种数字控制系统。根据控制的性质和要求，进行模块化、系统化规划设计，以STM32 处理器为控制核心，外接驱动模块，将两者作为控制器对样机进行控制。

步骤1中四极异极型径向混合磁悬浮轴承结构包括包括定子、转子和气隙，所述定子包括定子铁心、径向力控制绕组和定子永磁体；定子铁心为圆筒形，在圆筒形定子铁心的内表面沿轴向开有4n个槽，在定子铁心的内侧形成4n个齿，其中n为大于1的自然数，沿周向第1、3、……、(4n-1)个齿为轴向绕组齿，第2、4、……、4n个齿为径向绕组齿，每个轴向绕组齿的双齿内端面上分别粘贴固定有一块瓦片形的定子永磁体，且两块永磁体的充磁方向相同；所述定子永磁体为径向充磁或径向平行充磁；每个径向绕组齿上缠绕有一个径向力控制线圈，在圆周上呈180°相对的两个径向绕组齿上的两个径向力控制线圈反向串联组成一个径向力控制线圈组，所有径向力控制线圈组串联之后组成径向力控制绕组；转子包括转子导磁轭筒，所述转子导磁轭筒位于定子内，并且与定子同轴，定子与转子之间是均匀的气隙。

其具体设计方法为：

1）根据结构图，画出等效磁路图，设计出各气隙处的控制磁通及偏置磁通；

2）计算出径向悬浮力公式，求出力/位移参数、力/电流参数；

3）根据径向悬浮力公式求出次级面积；

4）根据气隙控制磁通，求出径向控制绕组；

5）进一步确定转子铁心半径、转轴半径、径向定子的宽度、轴向长度和定子齿高；

6）计算永磁体的宽度和充磁厚度；

7）利用Maxwell软件画出二维模型，从磁力线图、磁密分布图、力/电流关系曲线图、力/位移关系曲线图进行分析；

8）在辅助轴承气隙确定，克服永磁磁极产生的被动磁拉力下，找出控制磁极面积和永磁刺激面积之比，得到径向悬浮力最大；

9）设计实验样机，进行静态悬浮实验和动态悬浮实验。

进一步地，所述静态悬浮实验和动态悬浮实验通过搭建新型径向混合磁轴承的控制实验平台，利用位移传感器及各种接口电路对异极径向混合磁轴承进行悬浮实验分析。

使用CCS6.0 作为开发环境，以数字化功率分析仪、径向力测量仪对样机功率、力-电流实时监测与调试，最后将仿真值与实验值进行比较，得出结论。

完成仿真模块，并确认理论值与实际值相符后，再继续完善异极型径向混合磁悬浮系统的结构参数，主要需要考虑位移传感器的安放、联轴器的选用、机壳大小、螺栓尺寸、控制线圈的大小及预留空间；

样机制作完成后，再基于闭环控制理论对异极径向混合磁轴承系统做控制研究；其中，控制模块采用高性能数字信号处理器进行数据处理与信号输出；径向控制绕组由直流型电源供电；位置传感器对转子位置进行检测，与给定的参考位置信号进行比较，采用STM32来控制。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。