減少摩擦被動磁軸承創(chuàng)新設(shè)計
黃旭東
摘要：摩擦在旋轉(zhuǎn)機器中主要是不需要的。為了減少對系統(tǒng)的影響，磁軸承的集成通常被認為是有效的解決方案。在諸如飛輪儲能系統(tǒng)(FESS)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，機械軸承產(chǎn)生的機械損耗大大降低了整體性能。因此，磁性軸承經(jīng)常集成在FESS中以消除機械損耗。被動磁軸承(PMB)的簡單設(shè)計，其固有的安全性和極低的摩擦力使其成為FESS的理想選擇。本文的主要目標(biāo)是記錄一個創(chuàng)新的PMB，以最小化由軸向推力軸承引起的能量損失，并記錄用于測量其剛度和阻尼的方法。
關(guān)鍵詞：磁軸承;被動;磁鐵表征
1 設(shè)計目標(biāo)
圖1顯示了設(shè)計的軸承的結(jié)構(gòu)。為了減少由該推力軸承引入的機械摩擦，提出有利地使用徑向PMB的軸向排斥來減小推力軸承的球上的有效力。因此，本文的主要目的是記錄徑向PMB的原始設(shè)計，允許人們控制穩(wěn)定轉(zhuǎn)子所需的推力軸承上的載荷。可以通過相對于轉(zhuǎn)子改變定子的位置來控制負載。
為了促進PMB在系統(tǒng)中的集成，必須知道磁性軸承的機械性能，即剛度和阻尼以及其運行極限。已經(jīng)提出方程來預(yù)測不同類型的PMB的性質(zhì)。然而，這些方程將提供剛度，因為所有部件都是完美的構(gòu)造和磁化的，情況并非如此。實驗裝置和磁化模式的缺陷通常會導(dǎo)致測量值偏離理論值。幾乎所有這些方法都使用單軸測力傳感器測量在單個方向上產(chǎn)生的力，這導(dǎo)致不完整的表征。還應(yīng)該指出，有些文獻中提出的測量技術(shù)通常只是簡要描述，難以復(fù)制。雖然記錄的實驗測量是準(zhǔn)確的，但它們需要大量的操作，常常使表征變得嚴酷。
圖1 使用軸向PMB和機械推力軸承的被動軸承配置
為了回應(yīng)缺乏記錄的實驗方法，本文還提出了一種新技術(shù)，允許人們在有限數(shù)量的試驗中完全表征任何類型的磁性軸承。該方法在表征新設(shè)計的PMB時進行了測試和驗證。所提出的技術(shù)也可以用于主動和超導(dǎo)體軸承(分別為AMB和SMB)和更復(fù)雜的永磁體陣列，例如錐形陣列或徑向和軸向磁體的組合。
2 軸承和表征方法的設(shè)計
2.1 磁軸承的設(shè)計
本文研究的徑向軸承采用環(huán)形釹磁鐵(NdFeB)開發(fā)。每個軸承使用Yonnet等人提出的配置。這種布置通過放置兩個同心磁體來實現(xiàn)，使得排斥反作用力將使磁體相對于彼此居中。圖2a示出了轉(zhuǎn)子磁體(內(nèi)部)和定子磁體(外部)的定位。此外，已經(jīng)證明，可以通過堆疊具有交替極點的許多磁體來修改全局磁場并增加產(chǎn)生的力。圖2b示出了四對磁體的堆疊。在實驗裝置中應(yīng)用4層和5層磁體結(jié)構(gòu)。
圖2 (a)一對同心的環(huán)形磁體彼此排斥并且(b)堆疊磁體的取向以增加徑向PMB的剛度(箭頭表示磁場的取向;反對的箭頭表示排斥)
圖3顯示了使用FEA模型計算的這種類型的組件產(chǎn)生的磁場。為了磁體(a)的完美對準(zhǔn)，可以看出，磁體組件徑向相互斥力但不垂直相互作用(氣隙中的所有磁通線平行于PMB軸向)。由于該位置不穩(wěn)定，圖3b顯示當(dāng)定子向軸向移動時會發(fā)生什么。在這些構(gòu)造中，轉(zhuǎn)子仍然居中，但是存在產(chǎn)生的垂直力，其推動轉(zhuǎn)子遠離(氣隙中的通量線都是軸向和徑向定向的)。這種現(xiàn)象在本文提出的新設(shè)計中尤其重要，因為產(chǎn)生的垂直力用于減小推力軸承的負載(參見圖5中的碳化鎢球)。
圖3 由PMB為軸對稱FEA模型獲得的不同軸向位置產(chǎn)生的磁通線(中心線表示每個陣列的左側(cè))
(a)用于轉(zhuǎn)子和定子的完美軸向?qū)?zhǔn)的磁通線;
(b)引入部件的軸向未對準(zhǔn)時的磁通線。
許多機械部件必須設(shè)計成將磁體組件固定在一起受到高排斥力。每個軸承的轉(zhuǎn)子和定子由磁鐵座，環(huán)形磁鐵，隔板和定制螺母組成。圖4顯示了兩個組件的剖視圖，詳細說明了每個組件。
圖4 定子(左)和轉(zhuǎn)子(右)的剖視圖
轉(zhuǎn)子和定子的安裝座的尺寸設(shè)計使得它們可以接受2至6個磁體來增加或減小力。轉(zhuǎn)子安裝座被設(shè)計成確保轉(zhuǎn)子和定子的磁體即使在添加其他磁體時對準(zhǔn)。所有組件均采用鋁合金6061-T6制造，具有良好的機械和非磁性能。大多數(shù)部件也被設(shè)計成在單一操作中制造，以減少幾何誤差。除了磁體外，所有部件均實現(xiàn)了嚴格的公差，這些磁體是由供應(yīng)商制造的，質(zhì)量控制無可用信息。它們是定制的，方形截面為6.35毫米。Baden等人提出1的高度/長度比表示優(yōu)化所產(chǎn)生的力的良好設(shè)計。轉(zhuǎn)子的磁體的內(nèi)徑為38.1mm，定子的磁體的內(nèi)徑為52.2mm。因此，磁鐵之間的徑向氣隙為0.7mm。使用本文“計算”部分中詳述的理論方程對磁體的尺寸進行了設(shè)計。
對于轉(zhuǎn)子，具有相反磁化的磁體插入到安裝座上。專門設(shè)計的螺母用于移動磁鐵，直到它們相互碰撞。使用相同的程序來組裝定子。使用高斯計測量每個磁體的磁化強度，并使用有限元軟件進行計算。結(jié)果表明，磁體按照標(biāo)準(zhǔn)的MMPA No. 0100-00具有N33級。
軸承組件還包括推力軸承，其由碳化鎢鎢球(Ø= 6.35mm)和M7工具鋼表面組成。球位于轉(zhuǎn)子的末端，工具鋼表面集成到軸承的底座上。正確潤滑后，推力軸承的摩擦系數(shù)約為0.1。
為了安全起見，實現(xiàn)了另一種機械軸承。徑向球軸承用于防止轉(zhuǎn)子與PMB定子之間的接觸。軸與球軸承的內(nèi)圈之間的間隙設(shè)定為0.45mm。應(yīng)該注意的是，雖然強制性地使用推力軸承與PMB，但它并沒有包括在表征中，以避免其對結(jié)果的影響。圖5顯示允許轉(zhuǎn)子安全運動的主要部件：PMB，推力軸承和用于安全的球軸承。
圖5 顯示用于安全操作的軸承的簡化剖視圖(轉(zhuǎn)子和定子分別顯示為深灰色和淺灰色)
圖5還示出了用于改變由徑向PMB產(chǎn)生的軸向位置的裝置。定子由部分螺紋套筒和專門設(shè)計的鎖緊螺母引導(dǎo)并鎖定就位。由于轉(zhuǎn)子總是位于同一位置，所以通過降低PMB的定子可以減小施加在推力軸承上的力。套管每英寸有16個螺紋，以便具有相對小的垂直位移(1.59mm)，用于定子的完全旋轉(zhuǎn)。最后，將稱重傳感器放置在推力軸承的鋼表面下方以測量施加到其上的力。
2.2 計算
解析方程在文獻提出來計算從一個或多個同心對環(huán)形 磁鐵而構(gòu)成的無源磁軸承的徑向剛度，如示于圖2等。用等式(1)來確定兩個同心環(huán)形磁體相互排斥的徑向剛度。
這個方程的參數(shù)為磁體的磁體的磁化，真空磁導(dǎo)率，所述磁體的平均半徑，磁鐵之間的間隙，寬度和高度。用堆疊磁體構(gòu)建的軸承的徑向剛度可以用等式(2)近似。
這些方程式被用于設(shè)計一低摩擦PMB提供足夠的剛度，即足夠高以徑向約束轉(zhuǎn)子，但不能太高，以確保第一和第二機械臨界速度將保持在低的值。通過這樣的策略，臨界速度將在加速階段快速通過到FESS的標(biāo)稱運行速度。應(yīng)該注意的是，計算剛度僅適用于轉(zhuǎn)子和定子的磁體垂直完美對齊的情況，如圖2b所示。表1包含由不同數(shù)量的磁體對組成的軸承計算的徑向剛度。
表1 磁體相對的無源磁軸承(PMB)的理論剛度
給出這些理論值與實驗結(jié)果進行比較。根據(jù)Earnshaw定理，可以預(yù)期徑向軸承的軸向剛度為負并且比其徑向剛度高兩倍。被動磁軸承的典型不穩(wěn)定性也得到了Morales等人的證實。
3 結(jié)論
本文中描述的新型PMB通過使用永磁體磁場的固有特性成功地降低了滑動軸承上的力，從而降低了接觸引起的摩擦力。在保持軸承的功能的同時實現(xiàn)摩擦減小。
此外，所提出的實驗表征方法代表了一種快速測量磁軸承的軸向和徑向剛度的有效方法。也可以通過對實驗裝置的微小修改來測量其阻尼。測量的剛度低于文獻中提出的關(guān)于這種軸承類型的方程式獲得的理論值。這種差異是重要的，因為軸承的剛度極大地影響了系統(tǒng)的動力學(xué)。因此，在將其用于實際系統(tǒng)之前，必須對軸承進行表征。
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