高功率密度船用永磁推力轴承及承载特性研究

俞翔栋 常震罗 陈悦 殷浩博

(中国船舶集团有限公司第七一一研究所动力装置事业部,上海 201108)

0 引言

现代先进船舶推进系统对于声隐身性提出了更加严格的要求[1-2]，推力轴承是推进器激励力向船体传递的必经路径，其振动会继发性地激励起船体结构的振动。因此，推力轴承的减振降噪是进一步提升船舶声隐身性的首要治理目标[3-4]。国内外越来越多的减振型推力轴承应运而生，目前主要的减振降噪方式主要包括：橡胶减振、液气压减振、高分子材料减振等，在减振型推力轴承的研制方面取得了一定的成果，实现了推力轴承振动噪声的阶段性治理目标，尤其是在中高频段减振性能优异。然而，在中低频段的减振性能未能达到预期效果，迫切需要采用新技术进一步提升推力轴承的声隐身性，尤其是提升中低频的减振降噪能力[5]。

永磁推力轴承被证实具有无可比拟的全频段隔振性能，目前，国内外研究人员对永磁推力轴承进行了大量的理论研究和实践探索[6-8]。已经研制出了200 kN级以下的永磁推力轴承样机，但尚未满足船舶推进系统的应用要求，存在以下突出问题：(1)轴向位移大，在额定推力下的轴向位移约为10 mm～15 mm。(2)结构尺寸大，将占用平台大量的载荷和空间资源。(3)承载能力弱，难以适用于大推力工况。在永磁材料性能没有大幅提升的前提下，只能开展永磁体排列结构拓扑优化。

本文创造性地提出了一种多层嵌套型永磁推力轴承，能够显著提高磁场利用率，提升永磁推力轴承的功率密度。设计了一种八层嵌套五极交叉堆叠的永磁推力组件，基于ANSYS Workbench对其承载特性进行了研究，结果表明可解决现有永磁推力轴承轴向位移大、结构尺寸大、承载能力弱等突出问题。采用了模块化结构思想，设计了1 000 kN级船用永磁推力轴承，为高功率密度船用永磁推力轴承设计提供了参考。

1 磁路设计

现有的永磁推力轴承通常采用单层设计，磁体数量和工作面比为2:1，磁场利用率较低，导致了轴向位移大、结构尺寸大、承载能力弱等突出问题。磁环宽度为a，气隙宽度为g，磁环内外圈半径依次为ri(i=1,2,3,4)，磁路结构如图1所示。

图1 单层磁路结构示意图Fig.1 Structural diagram of single-layer magnetic circuit

图2 八层嵌套型磁路结构示意图Fig.2 Structural diagram of the eight-layer nested magnetic circuit

本文为解决上述突出问题，针对船舶推进系统动力装备的迫切应用需求，提出了一种多层嵌套型船用永磁推力轴承。经过多轮的计算探索，采用了一种八层嵌套五极交叉堆叠的磁路结构。单侧二维排列如图2所示，三维原理结构如图3所示。

图3 八层嵌套型磁路三维结构图Fig.3 3D diagram of eight-layer nested magnetic circuit

可见，多层嵌套型磁路结构的磁体数量和工作面比为小于2:1，当层数继续增加时理论上可以无限接近1:1，这样可以有效提高磁场利用率。

2 仿真分析

为准确把握多层嵌套型永磁推力轴承的承载特性，针对上述八层嵌套五极交叉堆叠的磁路结构，基于ANSYS Workbench对其开展了磁场分布分析，结果如图4所示。

图4 八层嵌套型磁路结构磁场分布Fig.4 Magnetic field distribution of eight-layer nested magnetic circuit

基于上述磁场分布分析结果，计算其轴向力和轴向刚度，结果如图5所示。

(a)轴向力

可见，其轴向力随轴向位移基本呈中心对称，轴向刚度随轴向位移基本呈轴对称。根据船用要求，重点关注轴向位移3 mm至5 mm范围内的承载特性规律，轴向力随轴向位移基本呈线性递增变化。提取了3 mm和5 mm处的轴向力数值，结果如图6所示。

(a)3 mm轴向位移处

由图可知，在3 mm处的轴向力约为155 kN，在5 mm处的轴向力约为235 kN。由于在上述分析中，剩磁强度Br取值为1 T，根据现有永磁材料及安全系数考量，在工程设计中可取Br=1.25 T，因此在3 mm和5 mm处的轴向力分别为：

在3 mm处理论值≈1.252×155=242 kN

在5 mm处理论值≈1.252×235=367 kN

综上可知，八层嵌套型磁路结构的轴向力随轴向位移在船用要求范围内基本呈线性递增变化，3 mm处的轴向力约为242 kN，5 mm处的轴向力约为367 kN，有效控制了轴向位移量。

3 结构设计

基于上述磁路设计及仿真分析结果，以此设计了250 kN级船用永磁推力组件，轴向位移量可控制在5 mm范围内，结构及磁路设计如图7和图8所示。

图7 250 kN级船用永磁推力组件结构示意图Fig.7 Structure diagram of 250 kN class marine permanent magnet thrust assembly

图8 250 kN级船用永磁推力组件磁路示意图Fig.8 Magnetic circuit diagram of 250 kN class marine permanent magnet thrust assembly

该永磁推力组件主要包括动端盘组件、静端盘组件，以及支承组件等组成。五极永磁体交叉堆叠，通过端环固定在动、静端盘上。动端盘组件与主轴连接，静端盘组件与箱体固定，两者之间设置了一定量的轴向、径向间隙。支承组件用以支承动端盘组件，使得动、静端盘组件形成相对转动。

采用模块化的结构设计思想，以250 kN级船用永磁推力组件作为1/4设计模块，并联构成1 000 kN级船用永磁推力轴承的基本结构，如图9所示。

图9 1 000 kN级船用永磁推力轴承结构示意图Fig.9 Structure diagram of 1 000 kN class marine permanent magnet thrust bearing

由图可见，4组永磁推力组件并联布置，通过涨套等方式与主轴连接，共同承受轴向推力，有效控制了永磁推力轴承的径向尺寸，提高了轴向推力的承载能力，且利于实现船用永磁推力轴承的快速设计和维修。

4 结论

(1)本文针对船舶推进系统动力装备的迫切应用需求，提出了一种多层嵌套型船用永磁推力轴承，经验证该方案是可行的。

(2)经过多轮的计算探索，采用了一种八层嵌套五极交叉堆叠的磁路结构。3 mm处的轴向力约为242 kN，5 mm处的轴向力约为367 kN。

(3)基于本文的研究成果，设计了250 kN级船用永磁推力组件，并在此基础上采用模块化的结构设计思想，并联构成1 000 kN级船用永磁推力轴承的基本结构，为高功率密度船用永磁推力轴承设计提供了参考。