減少摩擦被動(dòng)磁軸承創(chuàng)新設(shè)計(jì)
黃旭東
摘要：摩擦在旋轉(zhuǎn)機(jī)器中主要是不需要的。為了減少對(duì)系統(tǒng)的影響，磁軸承的集成通常被認(rèn)為是有效的解決方案。在諸如飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(FESS)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，機(jī)械軸承產(chǎn)生的機(jī)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(jī)械損耗。被動(dòng)磁軸承(PMB)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，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(gè)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(cè)量其剛度和阻尼的方法。
關(guān)鍵詞：磁軸承;被動(dòng);磁鐵表征
1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
圖1顯示了設(shè)計(jì)的軸承的結(jié)構(gòu)。為了減少由該推力軸承引入的機(jī)械摩擦，提出有利地使用徑向PMB的軸向排斥來(lái)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(jì)，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(guò)相對(duì)于轉(zhuǎn)子改變定子的位置來(lái)控制負(fù)載。
為了促進(jìn)PMB在系統(tǒng)中的集成，必須知道磁性軸承的機(jī)械性能，即剛度和阻尼以及其運(yùn)行極限。已經(jīng)提出方程來(lái)預(yù)測(cè)不同類型的PMB的性質(zhì)。然而，這些方程將提供剛度，因?yàn)樗胁考际峭昝赖臉?gòu)造和磁化的，情況并非如此。實(shí)驗(yàn)裝置和磁化模式的缺陷通常會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值偏離理論值。幾乎所有這些方法都使用單軸測(cè)力傳感器測(cè)量在單個(gè)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(xiàn)中提出的測(cè)量技術(shù)通常只是簡(jiǎn)要描述，難以復(fù)制。雖然記錄的實(shí)驗(yàn)測(cè)量是準(zhǔn)確的，但它們需要大量的操作，常常使表征變得嚴(yán)酷。
圖1 使用軸向PMB和機(jī)械推力軸承的被動(dòng)軸承配置
為了回應(yīng)缺乏記錄的實(shí)驗(yàn)方法，本文還提出了一種新技術(shù)，允許人們?cè)谟邢迶?shù)量的試驗(yàn)中完全表征任何類型的磁性軸承。該方法在表征新設(shè)計(jì)的PMB時(shí)進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。所提出的技術(shù)也可以用于主動(dòng)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(jì)
2.1 磁軸承的設(shè)計(jì)
本文研究的徑向軸承采用環(huán)形釹磁鐵(NdFeB)開發(fā)。每個(gè)軸承使用Yonnet等人提出的配置。這種布置通過(guò)放置兩個(gè)同心磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得排斥反作用力將使磁體相對(duì)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(guò)堆疊具有交替極點(diǎn)的許多磁體來(lái)修改全局磁場(chǎng)并增加產(chǎn)生的力。圖2b示出了四對(duì)磁體的堆疊。在實(shí)驗(yàn)裝置中應(yīng)用4層和5層磁體結(jié)構(gòu)。
圖2 (a)一對(duì)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(chǎng)的取向;反對(duì)的箭頭表示排斥)
圖3顯示了使用FEA模型計(jì)算的這種類型的組件產(chǎn)生的磁場(chǎng)。為了磁體(a)的完美對(duì)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(dòng)時(shí)會(huì)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(dòng)轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)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(jì)中尤其重要，因?yàn)楫a(chǎn)生的垂直力用于減小推力軸承的負(fù)載(參見(jiàn)圖5中的碳化鎢球)。
圖3 由PMB為軸對(duì)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(gè)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(duì)準(zhǔn)時(shí)的磁通線。
許多機(jī)械部件必須設(shè)計(jì)成將磁體組件固定在一起受到高排斥力。每個(gè)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(gè)組件的剖視圖，詳細(xì)說(shuō)明了每個(gè)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(jì)使得它們可以接受2至6個(gè)磁體來(lái)增加或減小力。轉(zhuǎn)子安裝座被設(shè)計(jì)成確保轉(zhuǎn)子和定子的磁體即使在添加其他磁體時(shí)對(duì)準(zhǔn)。所有組件均采用鋁合金6061-T6制造，具有良好的機(jī)械和非磁性能。大多數(shù)部件也被設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的公差，這些磁體是由供應(yīng)商制造的，質(zhì)量控制無(wú)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(zhǎng)度比表示優(yōu)化所產(chǎn)生的力的良好設(shè)計(jì)。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(jì)算”部分中詳述的理論方程對(duì)磁體的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
對(duì)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(jì)的螺母用于移動(dòng)磁鐵，直到它們相互碰撞。使用相同的程序來(lái)組裝定子。使用高斯計(jì)測(cè)量每個(gè)磁體的磁化強(qiáng)度，并使用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，磁體按照標(biāo)準(zhǔn)的MMPA No. 0100-00具有N33級(jí)。
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(rùn)滑后，推力軸承的摩擦系數(shù)約為0.1。
為了安全起見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)了另一種機(jī)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(qiáng)制性地使用推力軸承與PMB，但它并沒(méi)有包括在表征中，以避免其對(duì)結(jié)果的影響。圖5顯示允許轉(zhuǎn)子安全運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(jì)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(guò)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(gè)螺紋，以便具有相對(duì)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(cè)量施加到其上的力。
2.2 計(jì)算
解析方程在文獻(xiàn)提出來(lái)計(jì)算從一個(gè)或多個(gè)同心對(duì)環(huán)形 磁鐵而構(gòu)成的無(wú)源磁軸承的徑向剛度，如示于圖2等。用等式(1)來(lái)確定兩個(gè)同心環(huán)形磁體相互排斥的徑向剛度。
這個(gè)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(jì)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(jī)械臨界速度將保持在低的值。通過(guò)這樣的策略，臨界速度將在加速階段快速通過(guò)到FESS的標(biāo)稱運(yùn)行速度。應(yīng)該注意的是，計(jì)算剛度僅適用于轉(zhuǎn)子和定子的磁體垂直完美對(duì)齊的情況，如圖2b所示。表1包含由不同數(shù)量的磁體對(duì)組成的軸承計(jì)算的徑向剛度。
表1 磁體相對(duì)的無(wú)源磁軸承(PMB)的理論剛度
給出這些理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(fù)并且比其徑向剛度高兩倍。被動(dòng)磁軸承的典型不穩(wěn)定性也得到了Morales等人的證實(shí)。
3 結(jié)論
本文中描述的新型PMB通過(guò)使用永磁體磁場(chǎng)的固有特性成功地降低了滑動(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn)摩擦減小。
此外，所提出的實(shí)驗(yàn)表征方法代表了一種快速測(cè)量磁軸承的軸向和徑向剛度的有效方法。也可以通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的微小修改來(lái)測(cè)量其阻尼。測(cè)量的剛度低于文獻(xiàn)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?yàn)檩S承的剛度極大地影響了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。因此，在將其用于實(shí)際系統(tǒng)之前，必須對(duì)軸承進(jìn)行表征。
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