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轴承2006年7期
CN41-1148/TH Bearing 2006, No. 7
轴向磁悬浮轴承的结构设计
闫颖鑫,董宏林,段广仁
(哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心,暴龙江哈尔滨15000)
摘嬃:针对某型磁悬浮转台样机的结构进行了分析,给出了轴向磁悬浮轴承的结构参数,并对定子的散热条件
进行了校核。
关纔词:磁性轴承;轴向轴承;支承;结构;分析
中图分类号:1mHI133.3文献标识码;B文章编号:1000-37612(2006)07-0006-03
Structure Design of Axial Magnetis Suspension Bearing
YAN Ying-xin, DONG Hong-lin, DUAN Guang-ren
Harbin University of Technology, Harbin 150001, Ching
Abstadt:Toanalysethesutueofmagneisuspenionturetprotoypedfcertainmodelmumhber,atfondthestucturalpea-
rameters of axial magnetis suspension bearing and check the heat terms of stator
Key words magnetic bearing; axial bearing; support;structure; analyse
磁悬浮轴承是一种新型高性能轴承,它是利
用可控电磁场将转子稳定悬浮于预先给定的位
置?。由于转子和定子无机械接触,所以磁悬浮
轴承具有无机械磨损、无需润滑的优点,被广泛应
用于各种高速、真空和超净的环境中
I ae
1工作条件及结构
2図
本例所介绍的轴向磁悬浮轴承系用于五自由
度的立式磁悬浮平台上,该平台采用两套径向磁
图图
悬浮轴承和一套轴向磁悬浮轴承,同时在两端有
%x
两套辅助轴承,系统结构示意图见图1。
其中,轴向磁悬浮轴承的轴向载荷为F
5000N。轴向磁悬浮轴承定子采用环形结构
如图2、图3所示。单边气隙0.3m,轴的材料采
58XX9
用硬铝,转子磁环及推力盘采用D21硅钢片,定
子铁心采用硅钢。磁材料的最大工作点为Bmx
=0.9T。偏磁电流l0=1.5A。轴的最小直径d
=80mm。单边定位控制精度为15um。
15、径向磁悬浮轴承;2、4-辅助轴承;3-轴向磁
悬浮轴承
收稿日期:2005-12-09;修回日期:2006-02-16
困1五自由度磁悬浮平台结构示意图
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闫颖鑫等:轴向磁悬浮轴承的结构设计
4A+d=26.6mm
实际取d4
内环面积
2-d)=9.817x10
外环面积
て/2
2
d3)=1.031×10-2
实际磁极总面积
困2轴向磁悬浮轴承定子结构剖面图
A=A1+A2=2.013x10-2m3
实际的最大磁场强度为
0.79T
3偏磁电流0、最大控制电流。的
选取及磁动势和线图匝数的计算
(2)
式中:Uw为磁路的总磁压,A;R.为磁路的总磁
阻,AWb。
图3轴向磁悬浮轴承定子结构立体示意因
磁路磁阻可分为气隙磁阻和铁心磁阻两部
2结构尺寸l的选取及尺寸d2、d
分。两个气隙的磁阻串联,在平衡位置处气隙总
磁阻为
和d4的计算
R
被气隙隔开的两个平行导磁体磁极间形成的式
中:6o=6x10
电磁力?为
令
本设计中Ku=198.8m2,显然由(3)式得
式中:F为电磁力,N;9,为通过磁极间的磁通,
wb;A,r为气隙处的总磁极面积,m2;A为空气导
R
Kん=9.495×10AWb
磁率,4xx10-7Wb/(A?m)。
铁质部分的磁阻为(暂取h1
mm, 42
假设系统磁性材料提供最大悬浮力时的工作
点为B,=0.9T,由(1)式得
R
F
0kx1-0A12
1.55x10
轴向推力盘采用环形结构,假设内外磁环的
2/2 goh
面积相等,取每个磁环的面积Ao=8.0x103
A
h1 tuah
100 mm
In
4A0
12
+=142
t
=7,454×103AWb
实际取d2=150m,取内外磁环之间的距离式中:d12=(d41+d2)/2;dx=(d3+d4)/2。
=50mm,则
总磁阻为
d3=d2+2=250mm
R,M=R MA+R MT=1.024x10 A/Wb
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轴承》2006..7
m2u0A1'2oA220
(s)5轴向悬浮定子散热条件的校核
由(2)、(5)式可得
(线图温升及其他参数计算)
R3w=814A(6)
(1)导线的总长度及总电阻
U=中R3
线圈导线的总长度为
考虑磁漏后,实际取Uw
m(d+d3)N
UWM=k, UM=977 A
=220m
式中:k1为考虑磁漏后磁动势放大系数,一般取
线誾导线的总电阻
k=1.2。
RL=pL=0.01609X220=3.540
取偏磁电流=1.5A,最大控制电流l=
(2)散热面积校核
1.5A,因此最大工作电流nm=3A,则轴向线圈
保守起见,线圈所需散热面积为10cm2/W,
因此所需散热面积
匝数为、U=326,实际选取N=350
So=10R, /x=318.6 cm
4结构尺すh1、h2和b3的确定
实际散热面积为线圈实际有效散热面积So
可由下式求得
4.1线导线最大外径的确定
根据线圈的散热条件及通过的最大电流,电式中:A。为空气散热面积;A。为铁心散热面积,
流密度υ有一定的取值范围,直流电机电枢绕组由于电磁推力支承系统定子铁心的下线槽口需用
取υ=3.5-~5.5Mm2;励磁绕组取U=3~5隔板和绝缘材料密封,线閣无法直接通过空气散
mu2。本系统线圈为励磁绕组,因此电流密度为3热,故A取为0,线圈只能通过铁心间接散热;k
~5Mmmn2。导线直径与最大电流具有如下关系
为铁心相对于空气的散热系数,对于我们所采用
的无骨架线圈,取ke=1.1则
4
t I
So=kg2(d3 +d2)
式中:do为线圈导线的直径。
691,15cmf
(12)
显然实际散热面积远大于所需要面积。
则do/u=1.129m
考虑以后增大电磁悬浮力的需要,本系统选参考文献:
取导线标称直径为d=1.279m,该导线的最[1]江大川,刘淑琴,虞烈,等,电磁推力支承系统结构
大电阻率P=0.01609/m
参数设计的研究[].机械工程学报,1997,31(12):
4.2线窗口高度h2的确定
100-105