恒流源偏置磁悬浮轴承电磁力及功耗等的研究

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1、恒流源偏置磁悬浮轴承电磁力及功耗等的研究徐朝兴徐龙祥（南京航空航天大学，机电学院，南京，中国，210016）摘要：本文所研究的恒流源偏置磁悬浮轴承结合了永磁偏置磁悬浮轴承功耗小和主动磁悬浮轴承磁场可控性的优点，是一种新型磁悬浮轴承。本文从原理上阐述了恒流源偏置磁悬浮轴承，研究了其系统组成，并从电磁力和刚度出发，分析和比较了与传统主动磁悬浮轴承的区别，并且从能量的角度出发，对恒流源结构的磁悬浮轴承进行推导计算。体现出这种结构具有能量损耗低的特点。关键词：恒流源偏置磁悬浮轴承；刚度；能量损耗ResearchMagneticBearingBasedonConstantCurrent

2、SourceoffsetXuChaoxingXuLongxiang(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)Abstract:Constantcurrentsourcebiasedmagneticbearingshavetheadvantagesofthecontrollabilityofactivemagneticbearingsandsmallpowerconsumptionofpermanen

3、tmagneticbiasedmagneticbearings.Butthestructureofthisnewtypeofmagneticbearingisverycomplex.Theprinciplesaswellasthecompositionoftheconstantcurrentsourcebiasedmagneticbearingsystemareintroducedinthispaper.Theadvantagesanddisadvantagesofthisbearingsystemcomparedwiththeconventionalactivemagnet

4、icbearingsystemarealsoanalyzed.Thecomputingresultofthepowerconsumptionofconstantcurrentsourcebiasedmagneticbearingsystemreflectsthatithastheadvantageofsmallpowerconsumption.Keywords:constantcurrentmagneticbearing；stiffness；energyloss符号说明磁极截面积电磁力稳定悬浮时一个磁极的电磁力工作频率运用泰勒公式展开时的电磁力MOSFET导通时的电流开关电流

5、偏置电流控制电流线圈电阻轴承刚度力-电流系数力-位移系数电流-位移系数电流-位移系数的单位化线圈匝数功率器件MOSFET导通时的损耗功率6开关损耗门极充电损耗线圈发热损耗恒流源结构的线圈发热损耗传统结构的线圈发热损耗恒流源结构总的损耗传统结构总的损耗门极电荷热阻线圈电阻开关时间空气磁导率门极电压开关电压转子位移的实际位置转子位移的平衡位置实际位移与平衡位移的比值力与坐标轴的夹角60引言主动磁悬浮轴承（简称磁悬浮轴承）是一种新型，高性能轴承，多采用八级结构，采用差动励磁方式，相对于六级或者更多的如十六级等结构来说，综合考虑各方面因素的影响，八级结构是比较理想的。因偏置电流和控制

6、电流未完全分离，电流波动对功率器件的寿命损耗以及消耗的功率仍然较高。本文采用了一种新的结构取代传统的主动磁悬浮轴承结构，能进一步降低能量损耗，提高功率器件的寿命。1磁悬浮轴承电磁力和非线性支承刚度系统建模图1恒流源偏置磁悬浮轴承径向两个自由度的截面图传统磁悬浮轴承的每个磁极只有1个线圈，线圈中的电流包含偏置电流和控制电流，以x方向的两个差动磁极为例，在x+方向和x-方向磁极线圈中的电流分别为+、-。转子所受电磁力是由偏置电流和控制电流叠加后产生的，具体为[1]：（1）式（1）中，,n为线圈匝数，A为磁极截面积，本文采用八级结构，。当x<<时，；定义为力-电流系数，6为力-位移

7、系数。从图1中可以看出，本文研制的恒流源偏置磁悬浮轴承的每个磁极有2个线圈。一个是偏置线圈（图1中远离转子的线圈），线圈中只有偏置电流；另一个是控制线圈（图1中靠近转子的线圈），线圈中只有控制电流。每个磁极的磁通实际上由偏置电流和控制电流产生的磁通叠加而成（从图1中可以看出）。所以转子所受电磁力为:（2）当x<<时，；定义为力-电流系数，为力-位移系数。从这两个系数中不难发现，力-电流系数与无关，说明恒流部分的电流产生的电磁力是不变化的，力只与控制电流有关。更加体现了不是电流迭加，而是磁场迭加产生的电磁