高速电机电磁轴承的支承刚度研究

第２９卷第２期长春工业大学学报（自然科学版）

Ｖ０１．２９，Ｎｏ．２

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高速电机电磁轴承的支承刚度研究

王继强１

＇

王凤翔２

１２５１０５；

（１．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛

２．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳

１１００２３）

摘要：分析了电磁轴承支承刚度与系统结构参数以及气隙静态偏置磁通密度的关系。利用

有限元法分析了电磁轴承内的电磁场，得到了气隙静态偏置磁通密度和电磁轴承内的等磁位线分布，在此基础上计算了高速电机的支承刚度，并证明了电磁轴承支承刚度的各向同性，为高速电机电磁轴承设计提供了依据。

关键词：高速电机；电磁轴承；支承刚度；有限元；气隙磁通密度中图分类号：ＴＭ３５５

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７４—１３７４（２００８）０２—０２０８—０４

Ｓｔｕｄｙ

ｏｎ

ｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｒｉｇｉｄｎｅｓｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ

ｂｅａｒｉｎｇｆｏｒ

ａ

ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒＷＡＮＧ

Ｆｅｎｇ—ｘｉａｎ９２

ＷＡＮＧｊｉ—ｑｉａｎ９１，

（１．Ｓｃｈｏｏｌ

ｏｆ

ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ

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ＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｌｕｄａｏ１２５１０５。Ｃｈｉｎａ；

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Ａｂｓｔｒａｃｔ；Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓａｍｏｎｇ

ｔｈｅ

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ａｒｅ

ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ），ｇａｐｓｔａｔｉｃｂｉａｓｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｅｑｕａｌｍａｇｎｅｔｉｃｌｉｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｏｂｔａｉｎｅｄ；ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｒｉｇｉｄｎｅｓｓｉｓｗｏｒｋｅｄｏｕｔ．Ｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｒｉｇｉｄｎｅｓｓｉｓｉｓｏｔｒｏｐｉｃ，ｗｈｉｃｈｏｆｆｅｒｓｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｍｏｔｏｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｒｉｇｉｄｎｅｓｓ；ＦＥＭ；ｇａｐｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙ．

ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄ

０

引言

风机，以及分析设备中的真空泵等。近年来，用于分布式供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受到人们的关注。对于小型燃气轮机来说，由于不需要驱动传统低速电机必须的减速器，不但提高了工作效率，而且提高了可靠性［１－４３。

高速电动机和发电机的转速通常在

３００００

由电机运行原理可知，当转矩一定时，电机的输出功率与转速成正比，也就是说，通过增加转速可提高电机的输出功率。高速电机的应用领域越来越广泛，如高速磨床及其它加工机床，高速飞轮储能系统，天然气管道中采用的离心压缩机和鼓

收稿日期：２００８—０１．２６

ｒ／ｍｉｎ以上，甚至超过１００

０００

ｒ／ｍｉｎ。普

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０４３７０１０）

作者简介：王继强（１９７６－－），男，汉族，湖北钟祥人，辽宁工程技术大学讲师。工学博士，主要从事高速电机设计与特性分析方向研

究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｊｉｑｉａｎｇＳｌ５＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ．

第２期王继强，等：高速电机电磁轴承的支承刚度研究

２０９

通的机械轴承在高速电机中应用寿命很短，一般需要采用非机械接触式轴承，主要有充油轴承、空气轴承、电磁轴承［５４］。电磁轴承是利用可控电磁铁对铁磁材料的吸引实现对转子无接触支承的一种新型高性能轴承。和传统轴承相比，电磁轴承具有无接触、不需要润滑和密封、功耗小的特点，使用寿命长，便于主动控制，特别是电磁轴承由于没有摩擦损耗，对于每分钟数万转的高速电机是比较理想的支承［８。１｜。

由于铁磁材料固有的非线性特性，电磁力一般与位移存在非线性关系。对于电磁轴承，通过选择合适的静态偏置电流和控制系统参数，总可以使得电磁力与转子的微小位移成近似的线性关

系［１２ｄ５。。利用成熟的线性控制方法就可以使被控

转子获得优良的性能［１６＿２０］。可以通过系统参数的选择来控制电磁轴承的动态特性，这也是电磁轴承的优点所在。

文中分析了电磁轴承支承刚度和其结构参数的关系，并利用有限元法分析了电磁轴承内的电磁场，在此基础上计算了高速电机的支承刚度，为高速电机的电磁轴承设计提供了部分理论依据。

１

电磁轴承的支承刚度分析

在电磁轴承中，电磁铁的励磁一般采用差动

模式，可同时获得２个方向上的作用力，其原理框图如图１所示（仅画出了Ｙ方向的悬浮力控制）。

岛＋ｙ

图１电磁轴承差动励磁控制模式

当转子位于中间位置时，为了建立偏置磁场，在上、下励磁线圈中通有相同的电流工。。在任意工作状态下如转子发生偏移Ｙ，则转子与上磁体之间的气隙为＆＋Ｙ，与下磁体之间的气隙为＆一ｙ，根据电磁场理论，在一对磁极之间所产生的合力为：

Ｆ＝半［（精）２一（髯）２］（１）

式中：岸。——真空磁导率５

Ａ——磁极面积；

Ｎ——绕组匝数；

＆——转子在中间位置时的气隙值；

Ｊ。——静态偏置电流；ｉ，——反馈控制电流；

Ｙ——转子位移。

式（１）的线性化公式为：

Ｆ，＝ｋｙｙ＋ｋｉｉ，

（２）

式中：ｋ。——力一位移刚度系数；

ｋ；——力一电流刚度系数。

是，：一掣

（３）

沪《孚

㈣

当转子位移变化较小时，电磁轴承反馈控制电流近似与转子位移成线性关系Ｄｇ］，即

ｉ，＝ｋｐｙ

（５）

忌ｐ＝２詈

（６）

Ｆ：幼＋胀，ｙ：掣ｊ，一ｋ叫ｙ（７）‰。：筚

（８）

００

由式（７）可知，当电磁轴承控制系统的比例反馈系数为ｋ。时，电磁力与转子的微小位移Ｙ成线刚度系数忌，的绝对值。

一般情况下，电磁轴承的磁极中心线与Ｙ轴１０

ｑ

，滚’＼。

图２

电磁轴承的磁路结构示意图

此时，电磁轴承的力一位移刚度系数为：

志，＝趔掣０

（９）

ｏ

其中

其中

此时，式（２）可以改写为：

性关系，此时，电磁轴承的刚度量。为电磁轴承的线性支承刚度，其值恰好为电磁轴承中的力一位移成一角度口，如图２所示。

２１０

长春工业大学学报（自然科学版）第２９卷

相应的电磁轴承的线性支承刚度为：

性刚度都可以用式（１２）来表示。

‰：趔芝墼坐

（１０）

一对磁极下的气隙磁通密度分布如图５所Ｕ０

示。

由于电磁轴承定子铁芯的磁导率很大，可以忽略铁芯中的磁压降，磁极下的气隙磁通密度可近似表示为：

■一．＼Ｉ、

Ｂ。一Ｉ坚ｏ。Ｎ。Ｉｏ．

瑙（１１）

稍．ｊ

０

厶Ｕ０

赠由式（１０）和式（１１）可知，电磁轴承的线性支帮

｛

ｆ‘

承刚度ｋｏｐ，也可表示为：

、＿

｝ｆ

志ｏｐ。一—４Ｓ—Ｂ

（１２）

／１０００

Ｚｏ＿ｃｏｓＺａ

位置角／（。）

式中：Ｓ——磁极的横截面积；

图５磁力轴承气隙中的磁通密度

Ｂｏ——气隙磁通密度；

图中磁极下的气隙磁通密度Ｂ。约为０．４

Ｔ。

Ｏｔ——电磁轴承磁极中心线与Ｙ轴的夹角５

由式（１２）计算得到电磁轴承的线性支承刚度为

＆——气隙值。

２．０Ｘ１０５Ｎ／ｍ。

２

高速电机电磁轴承的支承刚度

３

结论

电磁轴承的定子有限元模型如图３所示。

（１）电磁轴承具有无接触、不需要润滑和密封、功耗小的特点，使用寿命长，便于主动控制。特别是电磁轴承，由于没有摩擦损耗，对于每分钟数万转的高速电机，是比较理想的支承。

（２）磁场分析表明，高速电机电磁轴承每对磁极的磁路是相互独立的，因此，可以认为电磁轴承的支承是各向同性的。

（３）当转子位移围绕平均气隙变化较小时，电

图３磁力轴承的定子

磁轴承产生的电磁力近似与转子位移成线性关定子铁芯共有８个齿，４对极；定子铁芯采用系，电磁轴承的线性支承刚度与磁极下的气隙磁ＳＯＬＩＤ９８单元剖分，而定子绕组产生的磁动势用通密度平方成正比，而与气隙长成反比。

ＳＯＵＲＣ３６单元来表示；求解电磁轴承内的静态偏置磁场时，采用标量磁势（ＧｅｎｅｒａｌＳｃａｌａｒＰｏ—

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图４磁力轴承的等磁位线分布

２００５．

由电磁轴承内的等磁位线分布可以看出，电［４］

Ｒａｈｍａｎ

ＭＡ，ＣｈｉｂａＡ，ＦｕｋａｏＴ．Ｓｕｐｅｒｈｉｇｈ

磁轴承的４个磁路是相互独立的，因此，可以认为ｓｐｅｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｍａｃｈｉｎｅｓ—ｓｕｍｍａｒｙ［Ｃ］．Ｉｎ：

电磁轴承的支承是各向同性的，ｚ和Ｙ方向的线

ＩＥＥＥ－ＰＥＳ．２００４ＩＥＥＥＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｓｏｃｉｅｔｙ

第２期

王继强，等：高速电机电磁轴承的支承刚度研究

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