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1、电磁轴承及控制系统的设计原理及参数选择西安交通大学(陕西西安710049)沈钺虞烈[ABSTRACT]Electric一magneticbearingisatypicalelectrimetrhanicalj)r(xluct、therearemanyfactorswhichaffectthedesignprocess.Thispapersummarizedwholeprocessonabasisofdesignexpen・ence.Tlieprocessincludesstructuredesign,poweramplifierdesign>controllerdesignands
2、ensordesign.Italsoanalysestheeffectoftheseparametersonthepropertiesoflhebearing・电磁轴承⑴是利用电磁铁产生的磁场力将转子悬浮于空间。在工作过程中，它通过传感器检测转子的位移，按照一定的控制规律，发出控制信号到功率放大器,输出一定的控制电流，驱动磁轴承定子线圈对转子产生控制力。电磁轴承的设计过程比较复杂，包括磁轴承结构设计、控制系统设计及动力学校核儿个部分。其中电磁轴承的结构设计主要决定其承载力，而控制系统的设计则与刚度阻尼冇关。图1为电磁轴承-转子系统示意图。1电磁轴承的结构设计电磁轴承主要分为径向轴承
3、和轴向轴承两种形式。由定子和转子两部分构成。这里以径向轴承为例来讨论电磁轴承的设计过程。图1磁轴承-转子系统示意图1.1电磁轴承设计的基本方程⑵由麦克斯韦方程可知，单边气隙的电磁轴承(1)万方数据式中——气隙的磁通密度S——磁极的有效磁面积g——空气磁导率实际设计中，对于承受双向载荷的电磁轴承多采用差动控制，同时考虑到电磁轴承中多对磁极的影响，最大吸引力F唤为F"材詈)=2Kl{Kcll)2Bq(2)“o心式中Kr——合力系数So——单个磁极的有效面积I——单个磁极的弧长K(叠片系数Kltl——长径比02——转子外径不计漏磁，磁路中的压降可分为铁芯内的压降、气隙内的压降和转子内的压
4、降三个部分。由于铁芯和转子的材料均为导磁材料，相对于气隙中的磁压降小得多,可以忽略不计,这样得到闭合磁路的磁动势方程IN=如如(3)Ho式中I——线圈偏置电流N——磁极上的线圈匝数讥——轴承半径间隙将(3)式代入(2)式，得到电磁轴承最大吸引力为F狀=2KrK」°2(眾)⑷电磁铁在长期工作线圈达到稳定温升时,发13热功率为Pcu=『pldSKc式中j——电流密度热态电阻系数线圈周长sH.——窗口面积X；——填充系数线圈的散热主要通过导磁体和轴向两端空间进行。设铁磁休和空气的散热面积、散热系数分別用A,、K,和儿、人表示，且K,=1.1心，则散热功率Ps=（KA+KqAg）T=（1.
5、14+A/叭由热平衡方程P“=P,可知温升r=（1.1儿+AJ&1.2电磁轴承初始结构参数的选择3电磁轴承材料应具有磁性好的特点（主要指磁感应强度曲线的线性范围大,包围的面积小）,当电磁轴承支承高速回转轴时，其转子轴材料还应具有强度高的特点。电磁轴承定子的材料通常采用薄硅钢片和铁钻合金等，转子材料多采用电工纯铁、10#钢，也可用硅钢片叠合而成。电磁轴承的吸引力与电磁轴承的气隙、磁感应强度以及有效磁面积有关。磁感应强度和有效磁面积确定后，吸引力与气隙平方在没有达到磁饱和的区域内成反比。如果选择的轴承气隙过大，则需要增加磁感应强度或有效磁面积,这样会增大轴承结构尺寸和功放输出电流;如果
6、选择的间隙过小，则又会对控制系统提出过高的要求。综合考虑以上因索，在设计中一般选取讥为轴承直径的该。左右。电磁轴承的磁极数对其承载力、功耗和控制系统的设计都有影响。在实际设计过程中，主要考虑定子制造时使用相应电机定子制造工艺的情况，根据转子的外径D2按表1选取。表1转子外径/mm0~6060~8080~200>2008162432转子外径的选择影响轴承的有效承载面积,从而影响轴承的承载力。可选用较大的转子外径较小的长径比，或是选用较小的转子外径较大的长径比。在实际的设计过程中，转子外径的选取14万方数据受到轴径和转速的影响，一般采用将轴径适当放大来确定。1.3静态工作点的选择由（1
7、）式可知,当有效磁面积确定后,最大承载力与静态磁感应强度有关，但是由于磁饱和现象，要求工作时磁感应强度B应小于饱和磁感应强度5。若无静载,两电磁铁的静态工作点均设置在磁化曲线的屮点。当有静态载荷时,承担静载的电磁铁的静态工作点应高于另一个电磁铁的工作点。两工作点间的距离的大小对应着此对电磁铁的静态承载能力，距离越大，静态承载能力越大，相应动态承载的能力也就越小。由（3）式可知，为保证静态磁感应强度,无论磁通是由大电流、低绕组匝数，还是由低电流、大绕组匝数产生都可以，实
