一种径向永磁轴承的磁力计算及刚度分析

磁悬浮轴承无摩擦、无磨损、无须润滑、寿命长,在航空航天、发电机组、超高速超精密加工机床、原油加工及机器人等领域具有广阔的应用前景。采用永久磁铁产生悬浮力的磁悬浮轴承能耗低、体积小、结构紧凑且承载力大,因此成为磁悬浮轴承研究的一个重要方向。 本文针对一种磁轴承系统中的径向永磁轴承(配对永磁环),采用磁荷理论建立了在两磁环轴线平行和轴线相交时磁相互作用力的数学表达式。在此基础上,从积分的物理意义出发,提出了一种快速而准确的数值积分方法,用VC++6.0编制了数值计算程序,接着采用现有磁环的参数进行了它们之间磁相互作用力的数值计算,并做了相应的刚度特性分析。结果表明两相同轴向均匀磁化的磁环按相同磁化方向排列时,有: 1)两磁环轴线平行时,在偏心距较小的范围内,它们具有自动对心能力,且径向磁作用力随偏心距的增加基本上呈线性增加;偏心距相同而轴向间隙增大时,这种永磁轴承的径向承载能力减弱。 2)两磁环轴线相交时,在交角较小的范围内,动磁环在径向上总受回复力,但其受到的磁力矩却随着两轴线交点的移动而出现正负值。在磁力矩为正值时,它们仍具有对心能力;而磁力矩为负值时,动磁环将加速旋转。 3)刚度特性分析表明:动磁环在轴向上是不稳定的,在径向上是自稳定的,在绕X轴或Y轴旋转的方向上,其稳定性与两轴线交点到动磁环底面的距离有关;径向位移和绕X轴或Y轴的角位移变化会引起轴向吸引力的变化。因此,为了实现转子轴向位置的精确控制,除了要安装轴向位移传感器之外,还必须安装径向位移传感器,使其检测到的径向位移信号和角位移信号对轴向吸引力有控制作用。 在文中的最后一个部分,给出了两个磁环轴线平行时它们相互间轴向磁作用力和径向磁作用力的实验验证,实验结果表明数值计算结果是准确的。