外励磁磁流体润滑滑动轴承涡流损耗分析

2011-07-23马吉恩黄晓艳方攸同

微特电机 2011年7期

杨浩，马吉恩，黄晓艳，方攸同

(浙江大学，浙江杭州310027)

0引言

磁流体是一种磁性胶状浊液，由纳米级的磁性微粒经由表面活性剂高度分散在载液中混合而成。这种新型的功能性液体同时具有磁性材料和流体的特性，其流变性与空间形态亦可随着外磁场的变化而改变。这为通过外磁场控制流体的形态与流变性提供了可能［1］。磁流体润滑滑动轴承是利用磁流体这些特性，利用外磁场控制和密封磁流体，使其达到润滑目的的一种新型轴承。

传统磁流体润滑滑动轴承中，外加磁场仅由轴承外端的永磁体提供，主要作用是为了使轴承内的磁流体依靠磁力密封在工作区域内。磁流体作为润滑剂，粘度是其重要特性之一，近年来的研究文献指出，磁流体粘度既受外加磁场大小的影响，也受温度的影响，其粘度随外加磁场的增强而逐渐增大，在没有磁场的条件下其粘度随温度的增大而减小。对于磁流体润滑滑动轴承，在外磁场作用下磁流体粘度有明显的变化，能显著提高轴承的承载能力，并得出当浓度为1%时内部耗散最小［2］。

本文引入了一种新型磁流体轴承，在永磁体密封的基础上，在轴承上嵌入导线，通入励磁电流以后，在磁流体工作区域加上外磁场，这样就可以改变磁流体的粘度，起到改善承载能力的目的。建立了磁流体轴承的有限元模型，对其工作状态下因涡流损耗及其产生的热效应影响下的温度场分布进行了仿真计算，为今后制造这种轴承提供理论依据。

1磁流体轴承转子涡流损耗密度公式推导

根据涡流损耗分布的规律，涡流具有集肤效应。将涡流损耗分布较为密集的转子表面展开，假想成一个无限大的钢制薄片，随时间变化的外磁场沿z轴垂直于表面，将材料内部某点的涡流分解为两个相互垂直的分量，如图1所示。

图1 有限元涡流分解示意图［3］

涡流密度可以由下式决定:

式中:Je为涡流密度;γ为材料电导率;U为计算单元中节点间的电压有效值;L为计算单元里节点间的距离。

图2 材料中的电位差示意图［3］

如图2所示，设铁磁材料每一侧两点之间的点位差分别为U11、U12，为简化计算，假设 U11≈U12=U，忽略片状试件在厚度方向的电位降，则试件两侧四点构成的回路两端的总电压差为:

式中:re为有限元距离转子轴心的距离;A(t)为有限元在单位时间扫过的面积;Be为区域内磁密。

转子在外加励磁的磁场中转动，磁场强度在转子表面经过的大部分区域保持均匀，仅在通电导线外沿区域会产生畸变，所以可以将圆周运动等效成水平运动，有限元切割磁感应线产生动生电动势。

由式(1)和式(6)得到转子内的涡流发热密度:

即涡流损耗密度:

则在轴承中产生的涡流损耗如下:

式中:Ve为有涡流分布的区域。

2磁流体轴承的有限元建模和仿真分析

由于磁流体轴承的结构特点，涡流场及其对应产生的温度场沿着轴向呈平行平面场分布，可以取一个垂直于轴向的二维切面分析。

在Ansys中建立模型，磁流体轴承模型的参数如表1所示。

表1 轴承与转子参数

结构图如图3所示。其中，中间的转子和轴承最外侧的材料相同，均为铁磁材料，转子外侧的环形区域里分布着磁流体润滑剂，轴承的定子部分开槽，槽中嵌入励磁线圈，导线外用铝质材料封闭，使磁流体密闭在环形区域内，不与导线接触。

图3 磁流体轴承在Ansys中的模型

对其进行材料定义，各类材料的电磁参数如表2 所示［4］。

表2 材料的电磁参数

由表2中的参数可知，与轴承中的其他材料相比，磁流体的电阻率大得多，差7～8个数量级。由于磁流体的电导率远小于轴承中构成转子铁心铁磁材料的电导率，且磁流体工作区域小于轴承中转子上的涡流分布的区域，可以将磁流体的那部分涡流忽略不计。这样处理可以避免求解过程中出现刚性方程，省去流体速度场的建模，降低仿真的难度。

按照上述参数给模型赋予材料特性、定义单元、剖分。电磁理论表明，涡流损耗大部分集中于导体表面。为了提高数值计算的准确性，将转子表面的单元的剖分细化。

保持磁场强度不变，改变转子的转速，取转子转速从11 000～20 000 r/min，记录不同转速下流损耗的功率密度，得到的结果如表3所示。