The active magnetic bearing has many advantages - an active positioning, no contact and lubrication free motion - and is widely used in high precision motion stages. But, the conventional magnetic bearings composed of electromagnets only are power consuming due to their bias current and have the excessive heat generation, which can make the repeatability of the positioning system worse. To overcome this drawback, we developed a novel permanent magnet (PM) biased linear magnetic bearing for a high precision magnetically levitated stage. The permanent magnets provide a bias flux and generate a bias force, and the electromagnet increases or reduces a flux of the permanent magnets and gives a levitation force. This paper presents a theoretical magnetic circuit analysis, FEM analysis and experimental data from the 1-DOF tests, and compares the theoretical power consumption of the electromagnetic bearings and the PM biased linear magnetic bearings. The PM biased linear magnetic bearing presented in this paper gives better load capacity but lower power consumption than a conventional electromagnetic bearing and will be adopted in our 6-DOF high precision linear positioning maglev stage.
For the application into a 1 kWh flywheel energy storage system(FESS), this paper presents the design scheme of radial and axial hybrid magnetic bearings which use bias fluxes generated by permanent magnets. In particular, the axial hybrid magnetic bearing is newly proposed in this paper, in which a permanent magnet is arranged in axial direction so that it can support the rotor weight as well as provide a bias flux for axial magnetic bearing. Such hybrid magnetic bearings consume very low power, compared with conventional electromagnetic bearings. In this paper, to stably support a 140 kg flywheel rotor without contact, design process is explained in detail, and magnetic circuit analysis and three-dimensional finite element analysis are carried out to determine the design parameters and predict the performance of the magnetic bearings.
Park, Cheol Hoon;Choi, Sang Kyu;Ahn, Ji Hoon;Ham, Sang Yong;Kim, Soohyun
Journal of Magnetics
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제18권3호
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pp.302-307
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2013
Hybrid-type magnetic bearings using both permanent magnets and electromagnets have been used for rotating machinery. In the case of conventional thrust hybrid magnetic bearings supporting axial loads, radially magnetized permanent ring magnets, which have several demerits such as difficult magnetization and assembly, have been used to generate bias flux. In this study, a novel thrust hybrid magnetic bearing using an axially magnetized permanent ring magnet is presented. Because it is easy to magnetize a ring magnet in the axial direction, the segmentation of the ring magnet for magnetization is not required and the assembly process can be simplified. For verifying the performance of the proposed method, a test rig that consists of a proposed thrust magnetic bearing and variable loads is constructed. This paper presents the detailed design procedures and the obtained experimental results. The results show that the developed thrust magnetic bearing has the potential to replace conventional thrust magnetic bearings.
In this paper, we proposes a study on air gap control for magnetic levitation of transverse flux permanent magnet electromagnets. In general, mechanical systems have a high failure rate of bearings. Bearings in particular are problematic because they have high surface wear rate and degradations. To solve this problem, replacing the bearing with a magnetic levitation electromagnet system can provide lightweight and efficiency improvements. However, precise air gap control is essential to control the magnetic levitation electromagnet system. Therefore, in this paper, we identify the instable cause of gap control through a mathematical modeling and verify through experiment a control algorithm that can use compensation.
In this paper, we propose a precise linear motion stage supported by magnetically preloaded air bearings. The eight aerostatic bearings with rectangular carbon porous pads were located only one side of vertical direction under the platen where four bearings are in both sides of horizontal direction as wrap-around-design, and this gives simpler configuration than which constrained by air bearings for all direction. Each of the magnetic actuators has a permanent magnet generating static magnetic flux far required preload and a coil to perturb the magnetic farce resulting adjustment of air- bearing clearance. The characteristics of porous aerostatic bearing are analyzed by numerical analysis, and analytic magnetic circuit model is driven for magnetic actuator to calculate preload and variation of force due to current. A 1-axis linear stage motorized with a coreless linear motor and a linear encoder was designed and built to verify this design concept. The load capacity, stiffness and preload force were examined and compared with analysis. With the active magnetic preloading actuators controlled with DSP board and PWM power amplifiers, the active on-line adjusting tests about the vertical, pitching and rolling motion were performed. It was shown that motion control far three DOF motions were linear and independent after calibration of the control gains.
Fault tolerant control method for 6-pole homopolar magnetic bearings are presented. If some of the coils or power amplifiers suddenly fail, the remaining coil currents change via a novel distribution matrix such that the same magnetic forces are maintained before and after failure. Lagrange multiplier optimization with equality constraints is utilized to calculate the optimal distribution matrix that maximizes the load capacity of the failed bearing. Some numerical examples of distribution matrices are provided to illustrate this control method.
Permanent-magnet (PM) passive bearings use the repulsive forces between the rotor and the stator magnets for the bearing function. It is desirable that the stiffness of the bearing is maximized with the given volume of the magnet. The stiffness is affected by the magnet strength, the number of layers, and the magnetization patterns. Previously, finite-element method (FEM) has been used to maximize the stiffness of the bearing. In this paper, we used the equivalent current sheet method to calculate the stiffness. The validity of this approach is checked against FEM results. The optimized bearing is applied to a micro flywheel energy storage system.
Recently, the development trend of turbomachinery is high capacity and high efficiency. Most of turbomachinery in the market are adopting ball bearings or air foil bearings. However, ball bearings have a limit for high speed product over $2.0{\times}10^6DN$(product of the inner diameter of the bearing in mm (D) and the maximum speed in rpm (N)). Air foil bearings have a limit for high axial load for high power products over 200~300 HP(horse power). Magnetic bearing is one of the solutions to overcome the limits of high speed and high axial load. Because magnetic bearings have no friction between the rotor and the bearings, they can reduce the load of the motor and make it possible to increase the rotating speed up to $5.0{\times}10^6DN$. Moreover, they can have high axial load capacity, because the axial load capacity of magnetic bearing depends on the capacity of the designed electromagnet. In this study, the radial and thrust magnetic bearings are designed to be applied to the 200 HP class turbo blower, and their performance was evaluated by the experiment. Based on the tests up to 26,400 rpm and 21,000 rpm under the no-load and load condition, respectively, it was verified that the magnetic bearings are stably support the rotor of the turbo blower.
A superconductor flywheel energy storage system (SFES) is an electro-mechanical battery which transforms electrical energy into mechanical energy for storage, and vice versa. A 35 kWh class SFES module was designed and constructed as part of a 100kWh/1MW class SFES composed of three 35 kWh class SFES modules. The 35 kWh class SFES is composed of a main frame, superconductor bearings, a composite flywheel, a motor/generator, electro-magnetic bearings, and a permanent magnet bearing. The high energy density composite flywheel is levitated by the permanent magnet bearing and superconductor bearings, while being spun by the motor/generator, and the electro-magnetic bearings are activated while passing through the critical speeds. Each of the main components was designed to provide maximum performance within a space-limited compact frame. The 35 kWh class SFES is designed to store 35 kWh, with a 350 kW charge/discharge capacity, in the 8,000 ~ 12,000 rpm operational speed range.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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