中北大學-無軸承電機的結構設計綜述

1、畢業(yè)設計說明書無軸承電機的結構設計班 級:姓 名:學 院:專 業(yè):指導教師： 學號：軟件學院軟件工程鄭軍郭平英2014年6月無軸承電機的結構設計摘要無軸承電機是典型的機電一體化產(chǎn)品，由于它具有上述諸多優(yōu)良性能及其在眾多工 業(yè)領域內的應用前景，使得無軸承電機技術越來越受到國內外專家、 學者的關注與重視。 而我國對這一技術的研究尚不成熟，針對這種情況，我們在畢業(yè)設計中選擇了這一課題。 鑒于無軸承電機不但具有磁懸浮軸承的優(yōu)點，而且比其他同功率的電機及支撐裝置，體 積小、重量輕、能耗小，對于提高高速及超高速運轉機械的工作性能具有重要意義，本 文就是基于這些問題提出的。對于一個典型的無軸承電機來說，它主

2、要由機械、檢測、 控制三大主要部分組成，而控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關鍵，而合理的機械結構設計又是保 證承載能力要求和運行穩(wěn)定可靠的前提，所以，本論文主要對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行 分析和設計。文中以無軸承電機的永磁偏置徑向軸向磁軸承本體結構的設計（機械部分）及控制 系統(tǒng)為主要研究對象，設計出合理的結構參數(shù)和控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行簡要 的分析。關鍵詞：無軸承電機，磁懸浮軸承，機械系統(tǒng)，支撐裝置，承載能力Structure design of bearingless motorsAbstractBearingless motor is a typical mechatronic products

3、, because it has many excellent properties and the application prospect in many industrial fields, the bearing motor technology is paid much more attention by domestic and foreign experts, scholars. But the study on this technology in our country is still not mature, in view of this situation, we ch

4、oose this topic in graduation design. In view of the merits of the bearingless motor not only has the magnetic bearing, and other than with the power of the motor and supporting device, small volume, light weight, low energy consumption, has very important significance for improving the speed and pe

5、rformance of ultra high speed rotating machinery, this paper is based on these questions. For a bearing motor typically, it consists of three major parts of machinery, detection, control, and the control system is the key of the whole system, and the reasonable mechanical structure design is to ensu

6、re the premise, bearing capacity and stable and reliable operation. So, this paper mainly carries on the analysis and design of Mechanical system and control system.The design of bearingless motor of permanent magnet biased radial axial magnetic bearingless body structure (mechanical parts) and cont

7、rol system as the main research object, designs the structure parameters and the reasonable control system, and carries on the brief analysis on the stability of the systemKeywords: Bearingless motor, Magnetic bearing, Mechanical system, Support device, Carrying capacity中北大學2014屆畢業(yè)設計說明書目錄1 引言12無軸承電機

8、概述22.1 無軸承電機的發(fā)展狀況 22.2 無軸承電機的關鍵技術的研究現(xiàn)狀 22.3 無軸承電機的應用現(xiàn)狀 32.4 無軸承電機的特點及應用 32.5 無軸承電機的研究和應用前景 43無軸承電機的系統(tǒng)機械設計 63.1 轉軸部件主要結構尺寸的設計 63.2 主軸上零件的布置63.3 無軸承電機的主要機構設計 73.4 無軸承電機主要零部件的結構設計 73.4.1 無軸承電機磁懸浮軸承總體結構設計 73.4.2 永磁偏置徑向軸向磁軸承的總體結構設計 83.5 無軸承電機的主要零件結構設計 93.5.1 電磁軸承的定子與轉子 93.5.2 傳感器支架及其基準環(huán)103.5.3 缸筒113.5.4

9、轉軸123.6 電磁鐵的設計123.6.1 線圈的電阻和消耗的功率 133.6.2 輔助軸承的確定143.7 混合磁軸承的具體參數(shù)設計 143.7.1 選取永磁材料 153.7.2 確定工作氣隙磁感應強度 153.7.3 磁極面積的計算153.7.4 求定子內徑153.7.5 磁極面積的計算153.7.6 安匝數(shù)的計算153.7.7 匝數(shù)與電流的分配 163.7.8 線徑163.7.9 窗口面積的求取 163.7.10 永久磁鐵參數(shù)計算 164磁懸浮軸承的工作原理174.1 磁軸承的組成184.1.1 磁軸承的機械系統(tǒng)184.1.2 磁軸承的偏磁回路184.1.3 磁軸承的控制回路184.2

10、磁軸承的基本工作原理19204.2.1 永磁偏置徑向軸向磁軸承的基本結構和工作原理 .5畢業(yè)設計小結23參考文獻24致謝26第n頁共n頁中北大學2014屆畢業(yè)設計說明書1引言所謂無軸承電機(Bearingless Motor or Self-bearing Motor),并不是說不需要軸承來 支承，而是不需單獨設計或使用專門的機械軸承、氣浮或液浮軸承。無軸承電機一方面保持磁軸承支承的電機系統(tǒng)壽命長、無須潤滑、無機械摩擦和磨 損等優(yōu)點外，還有望突破更高轉速和大功率的限制，拓寬了高速電機的使用范圍，與磁 軸承支撐的高速電機相比具有下列優(yōu)點：電機軸向長度可以設計得較短，臨界轉速可 以較高，拓寬了高速

11、電機的應用領域，特別是在體積小、轉速高和壽命長的應用領域； 另一方面，在同樣長度的電機轉軸情況下，輸出功率將比磁軸承支承的電機有大幅度提 高。結構更趨簡單，維修更為方便，特別是電能消耗減少。傳統(tǒng)的磁軸承需要靜態(tài)偏 置電流產(chǎn)生電磁力來維持轉子穩(wěn)定懸浮，而無軸承電機不再需要。徑向懸浮力的產(chǎn)生是 基于電機定子繞組產(chǎn)生的磁場，徑向懸浮力控制系統(tǒng)的功耗只有電機功耗的2%, 5%,這些優(yōu)點特別適用于航空航天等高科技領域1 o基于無軸承電機高品質的性能，廣闊的應用前景，對提高機械工業(yè)制造裝備的水平， 特別是提高航空航天器工作性能無疑具有現(xiàn)實和深遠意義， 其研究工作越來越受到國內 外科技工作者的高度重視。第5

12、頁共26頁2無軸承電機概述2.1 無軸承電機的發(fā)展狀況將磁軸承繞組和電機定子繞組疊加在一起，實現(xiàn)電機和軸承一體化，這個概念最初 是由瑞士 R.Bosch于20世紀80年代末提出來的，在瑞士的J.Bichsel實現(xiàn)了同步電機的 無軸承技術之后，無軸承電機的研究引起了重視。目前瑞士、日本和美國等國家都大力 支持開展這項高新技術的研究工作。日本T.Ohishi等人對無軸承永磁電機(InternalPermanet Magne進行了研究，具優(yōu)點是能夠產(chǎn)生強大的懸浮力并易于控制，實驗樣機 運行轉速為2200rpm；瑞士的R.Schob和N.Barletta等人對無軸承的片狀(Slice)電機進 行了研究

13、，設計出的電機結構緊湊，采用光電傳感器測量轉子的位移，數(shù)字控制器采用 的是主頻為80MHz的TMS320C50作為CPU單元，采用開關功率放大器驅動，最高轉 速達到4200Orpm。目前正在研究轉速為80000rpm無軸承片狀電機2。我國已經(jīng)開始重視研究無軸承電機，1999年國家自然科學基金資助了無軸承電機的 研究工作，南京航空航天大學、江蘇理工大學和沈陽工業(yè)大學得到了支持并正在開展無 軸承交流電機、無軸承片狀電機等的研究。還有一些單位得到了省市有關部門基金的支 持，也正在研究和探索這項高新技術。目前國內已發(fā)表了多篇綜述及理論仿真研究的文 章，對無軸承電機的研究成果還未進行公開報道。2.2 無

14、軸承電機的關鍵技術的研究現(xiàn)狀就無軸承交流電機研究現(xiàn)狀來看，目前僅停留在理論和樣機實驗階段，離實用化還 有一定的距離，但就研究初期成果所體現(xiàn)出來的優(yōu)越性足以確信其潛在的使用價值。無 軸承電機的控制系統(tǒng)是其核心關鍵技術，決定無軸承電機能否穩(wěn)定可靠工作，目前制約 其實用化的重要原因是控制問題。無軸承電機控制的困難在于該系統(tǒng)具有復雜的非線性 強耦合特性，主要表現(xiàn)在：無軸承電機的電磁轉矩和徑向懸浮力之間存在藕合。如果 不采取有效地解耦措施，無軸承電機不可能穩(wěn)定運行，因此電磁轉矩和徑向懸浮力之間 解耦控制是無軸承電機的基本要求；無軸承電機的控制系統(tǒng)的設計必須考慮因磁飽和 和溫度變化等因素所引起的電機參數(shù)的

15、變化。設計有效而實用的電機參數(shù)變化的控制系統(tǒng)，這也是一個難點。國外在這些方面研究中較具有代表性的方法，一種是針對無軸承 異步電機和同步電機提出了一個近似線性化的基于矢量變換的控制算法來實現(xiàn)電磁轉 矩和徑向懸浮力之間的解耦控制，但這種算法構造比較復雜，需要對多個磁鏈矢量進行 控制，實現(xiàn)比較困難。另一種方法分析無軸承異步電機在負載條件下徑向懸浮力和電磁 轉矩耦合的關系，提出了對電機電流的幅值和相角進行補償來保持旋轉磁場的平穩(wěn)轉動 和幅值恒定，實現(xiàn)兩者之間的解耦，試驗表明提出的補償措施能實現(xiàn)負載條件下電機的 穩(wěn)定工作，并依此針對異步電機提出個間接矢量控制方法。但目前提出的各種方法從解 耦角度看，僅僅

16、實現(xiàn)了電機的電磁轉矩和徑向懸浮力控制之間的靜態(tài)解耦，還未實現(xiàn)完 全的動態(tài)解耦，要確保無軸承電機在過渡階段的穩(wěn)定運行，只有實現(xiàn)兩者之間的動態(tài)解 耦才是根本的保證。另外文獻提出的控制方法沒有考慮電機參數(shù)的變化來設計控制算 法，因此，考慮電機參數(shù)的非線性變化、磁路飽和對電機控制性能的影響，研究滿足電 機動態(tài)性能要求的控制器、實現(xiàn)無軸承電機的電磁轉矩和徑向懸浮力控制之間的動態(tài)解 耦，是無軸承交流電機的研究重要課題之一 3。2.3 無軸承電機的應用現(xiàn)狀無軸承電機，一方面具有磁懸浮軸承的優(yōu)點，如無接觸、無需潤滑及無磨損等，可 以用于真空技術、無菌車間、腐蝕性介質或非常純凈介質的傳輸；另一方面電機轉速可 以

17、做得很高、功率也可以很大，特別適用于高速或超高速數(shù)控機床、渦輪分子泵、離心 泵、壓縮機、飛輪儲能裝置及小型發(fā)電設備等工業(yè)領域，特別是無軸承電機比其他同功 率的電機及支撐裝置，體積小、重量輕、能耗小，對于提高航空骯天器的工作性能具有 重要意義。無軸承電機作為一種新型結構的電動機，發(fā)展才經(jīng)歷10多年時間，研究水平還遠未達到系統(tǒng)完善的地步，但是，其研究的進程是飛速的，國外已紛紛研制出無軸 承感應電機、無軸承片狀電機、無軸承同步磁阻電機、無軸承永磁同步電機等實驗樣機。 無軸承感應電機已用于密封泵（Canned Pump、計算機硬盤驅動裝置；無軸承片狀電機 已用于人工心臟泵中，初步顯示了無軸承電機對國民

18、經(jīng)濟和人民生活質量提高等方面所 起的作用，相信無軸承電機的研究成果用于機械工業(yè)、機器人及航空航天等領域會對國 民經(jīng)濟產(chǎn)生巨大的影響402.4 無軸承電機的特點及應用無軸承電機是根據(jù)磁軸承與電機產(chǎn)生電磁力原理的相似性，把磁軸承中產(chǎn)生徑向力的繞組安裝在電機定子上，通過解耦控制實現(xiàn)對電機轉矩和徑向懸浮力的獨立控制。無 軸承電機具有磁懸浮磁軸承所有優(yōu)點，需要免維修、長壽命運行，無菌、無污染以及有 毒有害液體或氣體的傳輸是無軸承電機典型應用場合。目前得到了如下應用。在蝕刻、制板、清洗或拋光等加工過程中需用腐蝕性化學液體，產(chǎn)品質量很大程度 上取決于化學液體質量，液體輸送泵是關鍵的一個環(huán)節(jié)。像酸液、有機溶劑

19、等腐蝕的化 學液體，泵必須無污染可靠傳輸，并且泵要具有抗腐蝕和耐一定溫度的要求。傳統(tǒng)氣動 和薄片泵壽命短，大多數(shù)耐溫最高只有 100c左右，運動閥和薄片仍然會產(chǎn)生少量的微 粒，液體傳輸也存在著不均勻的脈動，影響了工藝處理質量。采用無軸承電機密封泵能 解決傳統(tǒng)傳輸中存在的缺陷，大大滿足精密半導體器件生產(chǎn)工藝要求。目前，功率為 300W的無軸承電機密封泵已經(jīng)在半導體工業(yè)得到應用?；ゎI域放射性環(huán)境或高溫輻 射環(huán)境等惡劣條件下，用無軸承電機密封泵進行廢料處理，能解決機械軸承磨損和維修 的難題。在化學工業(yè)，對有效密封傳輸和生產(chǎn)系統(tǒng)的需求進一步提高，傳統(tǒng)的轉軸密封 的密封泵，機械軸承需要潤滑，據(jù)報道80

20、%的故障是由于密封失效引起的，20%是軸承、 連接及其它故障。為了安全生產(chǎn)，免遭環(huán)境污染，使用無軸承電機密封泵是最佳選擇。目前，蘇黎世聯(lián)邦工學院和 Sulzer泵公司合作完成了功率為30kW的無軸承密封泵樣機 的研制和測試工作，進入了試運行階段。心臟是生命的永動機，一旦發(fā)生故障難以修復。 利用人工心臟部分或全部替代心臟功能成為心臟病患者生命延續(xù)的福音。利用機械軸承的血泵會產(chǎn)生摩擦和發(fā)熱，使血細胞破損，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命。 蘇黎世聯(lián)邦工學院和Levitronix公司研制成功的無軸承永磁電機驅動的血泵和可以移植 到人體內的心臟左心室輔助裝置已經(jīng)在臨床中應用 5。2.5 無軸承電

21、機的研究和應用前景在費拉里斯和特斯拉發(fā)明多相交流系統(tǒng)后，19世紀80年代中期，多沃羅沃爾斯基發(fā) 明了三相異步電機，異步電機無需電刷和換向器，但長期高速運行，軸承維護保養(yǎng)仍是 難題。二次世界大戰(zhàn)后，直流磁軸承技術的發(fā)展，使得電機和傳動系統(tǒng)無接觸運行成為 可能，但這種傳動系統(tǒng)造價很高，因為鐵磁性物體不可能在一個恒定磁場中穩(wěn)定懸浮。 主動磁軸承的發(fā)明，解決了這個難題，但用主動磁軸承支承剛性轉子要在5個自由度上施加控制力，磁軸承體積大、結構復雜和造價高。20世紀后半期，為了滿足核能開發(fā)和利用，需要用超高速離心分離方法生產(chǎn)濃縮鈾，磁軸承能滿足高速電機支撐要求，于是 在歐洲開始了研究各種磁軸承計劃6。19

22、7/，赫爾曼申請了無軸承電機專利，專利中 提出了電機繞組極對數(shù)和磁軸承繞組極隨著磁性材料磁性能進一步提高，為永磁同步電機奠定了有力競爭地位。同時，隨著雙極晶體管的應用，以及和柏林格爾提出的無損開 關電路結合，能夠制造出滿足無軸承電機要求的新一代高性能功率放大器。大約在 1985 年，具有快速和負載能力的功率開關器件和數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，使得已經(jīng)提出20多中北大學2014屆畢業(yè)設計說明書年的交流電機矢量控制技術才得以實際應用，這樣解決了無軸承電機數(shù)字控制的難題。 瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學院的比克爾在這些科技進步的基礎上，于20世紀80年代后期才首次制造出無軸承電機。對數(shù)的關系為±1。用赫爾

23、曼提出的方案，在那個年代是不可能制造出無軸承電機的。我國開展磁懸浮列車和磁軸承研究多年，自20世紀90年代后期，江蘇大學、沈陽工 業(yè)大學和南京航空航天大學等先后得到了國家自然科學基金資助，開展了無軸承電機研究工作，在理論和實驗方面取得了一些成績。江蘇大學電氣信息工程學院朱焜秋教授與 瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學院J.Hugel教授等共同開展了功率為4kW的無軸承永磁同步電機研 究和應用工作，攻克了傳感器檢測、功率損耗等關鍵技術難題，成功研制出世界上第一 臺功率為4kW的無軸承永磁薄片電機，預計2004#將在化工工業(yè)、半導體工業(yè)等得到應 用。在美國、日本等國家，無軸承電機在生命科學、制藥行業(yè)、化工行業(yè)、半

24、導體工業(yè)、 食品工業(yè)等領域得到了應用。隨著我國經(jīng)濟進一步發(fā)展，在很多特殊的電氣傳動領域必 將改變傳統(tǒng)的傳動和傳輸方式，對提高產(chǎn)品質量、降低成本、減少污染將會起到重要作 用。因此，在我國無軸承電機具有很大潛在應用市場，積極開展無軸承電機的研究和應 用具有現(xiàn)實和深遠意義7。第6頁共26頁中北大學2014屆畢業(yè)設計說明書3無軸承電機的系統(tǒng)機械設計無軸承電機的結構設計與普通軸承電機的設計既有相同，又有不同之處。普通軸承 電機的設計包括轉軸的結構布置，軸徑估算，跨距和懸伸量的確定，靜態(tài)和動態(tài)特性計 算，外殼的結構和尺寸的確定，潤滑油路及冷卻通道的設計等。在設計無軸承電機的結 構時，除了潤滑油路，其他的都

25、要考慮，另外還要單獨設計普通電機所沒有的永磁偏置 徑向軸向磁軸承的具體結構，如永磁鐵和電磁鐵的結構和線圈參數(shù)的設計。設計出來的 永磁偏置徑向軸向磁軸承與電機相配合即為無軸承電機的總體結構 8。3.1 轉軸部件主要結構尺寸的設計(1)轉子直徑d和磁場寬度b的確定本課題轉子直徑d的范圍由設計要求給出，在結構允許的前提下，為提高其承載能 力、改善其動態(tài)特性，盡可能增加轉子直徑，所以我們取給出范圍的上限，即d=40mm磁場寬度是指磁軸承電磁鐵的軸向尺寸， 為減小電機的軸向尺寸，磁場寬度取小值, 大約為軸承轉子的2/3。(2)懸伸量a和跨距l(xiāng)的確定一般主軸設計時，其剛度主要由主軸本身的剛度和軸承的剛度兩

26、方面決定，懸伸量 與跨距有一個最佳比值。然而，由于磁軸承主軸部件的設計對其控制系統(tǒng)有影響，因此 在主軸設計時，不僅要考慮a/l的最佳值，而且要考慮給控制系統(tǒng)帶來的影響。本次設計的磁懸浮電動機為臥式結構，主軸直徑小，根據(jù)經(jīng)驗，取主軸全長為V3l o(3)磁軸承轉子的軸向尺寸的確定徑向磁軸承限制了轉軸的四個自由度及提供徑向的支撐剛度，但由于徑向磁軸承對轉軸有自動定位的作用，使得轉軸在軸向也受到一定的對中力。為避免這一對中力與軸 向磁軸承對轉軸的對中控制發(fā)生耦合， 設計時可以考慮使磁軸承轉子軸向尺寸略大于其 定子的軸向尺寸。3.2 主軸上零件的布置傳感器對永磁偏置磁軸承控制系統(tǒng)的性能有很大的影響，在

27、系統(tǒng)中，主軸的回轉精 度和軸向位置精度由傳感器本身精度、位置及基準環(huán)的精度決定的。因此對傳感器的布 置應特別注意9。一般來說，徑向傳感器安裝在徑向磁軸承的旁邊，但應注意，基準環(huán) 不應選在轉軸主振動節(jié)點處。從理論上講，軸向傳感器安裝時，其基準環(huán)可以安裝在轉 軸的任何位置，但實際上受到轉軸結構的限制。為便于安裝、測量，可安裝在轉軸的后 端。3.3 無軸承電機的主要機構設計無軸承電機的基本組成如圖3.1所示，它主要由永磁鐵、電磁軸承轉子及其定子、 電機轉子及其定子、轉軸、傳感器及其支架、輔助軸承、端蓋、缸筒等組成。該電機在結構上的主要特點有：(1)電機軸向以電機定子為定位基準，以軸肩、軸套、電磁軸承

28、本身定位，徑向直 接以內缸筒內經(jīng)定位，定位簡單方便。(2)設計電機的零部件形狀簡單，無須設計專用夾具，故加工方便，節(jié)約經(jīng)費。(3)多采用標準件，不但節(jié)省設計時間，而且縮短生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。(4)除電機轉子及磁軸承轉子與轉軸的配合采用過渡配合外，其余不是間隙配合就 是無須配合，故而大多零件無須進行精加工，大大減少加工工序。(5)轉子與定子均采用疊片結構，材料為軟磁材料，從而渦流損耗小。(6)軸向、徑向線圈處于同一結構內，可以進行自我解耦。(7)由于所設計的磁軸承系統(tǒng)采用裝入式電機，即將電機的轉子與軸承的轉子固定 在一個主軸上，所以，減免了驅動環(huán)節(jié)。(8)為防止突然斷電或磁軸承失控時，轉子和

29、電機及磁軸承的定子相碰，損壞轉子， 設計了一對深溝球軸承作為保護裝置。(9)多采用螺栓、螺釘和緊定套環(huán)固定，易于裝卸。(10)通過在一個方向上布置四個傳感器，并接成差動結構，從而進一步提高了測 量精度。3.4 無軸承電機主要零部件的結構設計3.4.1 無軸承電機磁懸浮軸承總體結構設計磁懸浮軸承的選擇磁懸浮軸承種類很多，接受控自由度可分為一軸、二軸直至五軸；按利用的磁場力 的類型可分為吸力型及斥力型。但目前，磁軸承一般分為主動磁軸承( Active Magnetic Bearing,簡稱AMB)、被動磁軸承(Passive Magnetic Bearing簡稱PMB)和混合磁軸 承(Hybrid

30、 Magnetic Bearing,簡稱HMB )三類10。其中AMB利用電磁鐵產(chǎn)生可控的電磁力，實現(xiàn)轉子的懸浮；PMB完全利用不可控的永磁體或超導材料產(chǎn)生磁力；HMB則由電磁鐵和永磁體共同產(chǎn)生磁力。由于第三類磁軸承本身的研究在國內、 外倍受重視。 而且這種新型磁軸承和以往的磁軸承相比，在結構上能夠大大地減小尺寸、體積，在系 統(tǒng)上可以減少系統(tǒng)的重量、功耗，同時這種磁軸承還具有自身能夠實現(xiàn)徑向、軸向磁場 解耦的優(yōu)點，完全符合無軸承電機盡量減小軸向尺寸、減少系統(tǒng)的重量、功耗等要求。所以本課題擬采用此類軸承。分析現(xiàn)今此類軸承的發(fā)展狀況，采用新型的三自由度永磁 偏置徑向軸向磁軸承。3.4.2 永磁偏置

31、徑向軸向磁軸承的總體結構設計永磁偏置徑向軸向磁軸承與普通磁懸浮軸承大體相一致，只是多加了一個永磁體來提供偏置磁場，根據(jù)一般磁軸承結構，結合永磁偏置徑向軸向磁軸承的工作原理，設計 其總體結構如下圖3.1所示1.軸向定子5.轉子硅鋼片6.轉軸7.徑向定子8.定位鋁圈 圖3.1永磁偏置徑向軸向磁軸承總體結構示意圖該磁懸浮軸承在結構上的主要特點有：(1) 軸向定子由三個零件組裝而成，比整體結構而言，雖然在連接處存在漏磁現(xiàn)象，但是加工方便，經(jīng)濟效益好，而且比整體結構裝配方便。(2) 轉子硅鋼片直接以軸肩定位，無須設計定位軸套。(3) 徑向控制線圈繞在徑向定子的齒槽內，而軸向線圈則直接繞在軸向定子設計出來

32、的凸臺上，繞線簡單可行。(4) 軸向定子用螺釘連接，裝卸方便。(5) 各零件徑向皆以彼此的內外徑定位，而軸向則增加了兩個鋁圈，尺寸大小一 致，一來可以保證永磁體和徑向定子定位在整個磁軸承的正中，同時鋁不導磁，故不存 在擾磁、漏磁及耗磁問題。(6) 軸向定子設計成臺階狀，便于與磁軸承外圓定位及裝配。(7) 整體結構軸向尺寸小，從而縮短了電機主軸的跨距，增大電機的扭矩及輸出 功率。3.5 無軸承電機的主要零件結構設計3.5.1 電磁軸承的定子與轉子定子是電磁軸承最關鍵的部件之一，它主要由定子鐵芯、定子繞組等組成的八極結 構，如圖3.2所示。圖3.2電磁軸承定子結構簡圖定子鐵芯由導磁性能好的軟磁材料

33、(如硅鋼)薄片制成，轉子是定子的銜鐵，故必須采用導磁性能好的軟磁材料(硅鋼)薄片粘疊而成。此類零件早有先例，結合磁懸浮軸承的具體參數(shù)，參照電機定子結構設計即可。考 慮到電機尺寸較小，采用八極結構即可。齒槽結構很多，采用上述結構，主要是考慮其 齒槽較大，方便傳感器的傳輸線從其中穿過，無須專門設計線路通道，同時也減少加工第11頁共26頁中北大學2014屆畢業(yè)設計說明書工序。3.5.2 傳感器支架及其基準環(huán)傳感器支架用于支撐位移傳感器探頭，無論是水平方向還是垂直方向，都采用兩個 傳感器差動檢測轉子位移，因此，在同一個方向上安置的螺孔必須是同軸共線的，水平 和垂直方向的軸線必須滿足一定的垂直度要求。其

34、結構如圖 3.3所示。圖3.3傳感器支架傳感器支架的四個方向不但開了傳感器支撐孔， 而且挖空一塊，一來減輕電機重量, 更主要的還是方便線路通暢，同時還是冷卻空氣內外交替的主要途徑。另外，如此結構也方便傳感器支撐孔的加工。在圓柱表面進行加工孔加工，保證其 形位公差。況且這四個孔需要一定的同軸度與垂直度要求。轉子的位移信號是通過傳感器基準環(huán)傳遞給傳感器的，故對傳感器基準環(huán)的要求主要是表面質量，以及與轉子是同軸同心問題，加工要求較高。其結構如圖 3.4所示。基 準環(huán)只是傳遞旋轉信息，故結構不須太過復雜，但加工要求很高。首先要控制其同軸 度在78級之內，一般采用精鏈加工。其次其外圓表面加工精度要達到I

35、T6IT7,表面粗糙度要求R0.80.2Rm, 一般采用精細車或者磨削加工11o3.5.3 缸筒缸筒用于支撐電磁軸承機械系統(tǒng)及驅動轉子的電動機等，因此要求具有良好的散熱結構能力，本文采用空冷，具體結構如圖 3.5。外缸筒旨在使裝入的電機與端蓋連接為一個整體，故結構越簡單越好。本文采用了 最簡單的圓筒型，為了安裝吊環(huán)，特作了一個吊環(huán)凸臺。這種結構的加工主要在其左右 端面以及內圓面。首先，內圓面與內缸筒配合，而內缸筒直接與磁軸承定子配合，故需 保證其平行度和同軸度，一般其平行度誤差為 0.16mm,同軸度為8級。其次，其兩端 面同上述端蓋的端面要求，即端面徑向跳動8級。而其端面的螺紋孔則要求位置度

36、誤差。 具體見零件圖。圖3.5(A)外缸筒內缸筒主要起裝配電機定子、磁軸承定子、傳感器支架以及定位軸套和為電機散熱 的作用。最簡單的圓筒即可。其上的冷卻結構很多，有在外表面開螺旋槽水冷和在內表 面開空冷槽等多種方式120本文采用最簡單的在內部開通槽的結構。空冷槽與前后端蓋上的通氣孔相連，實現(xiàn)內外空氣交替轉換，從而實現(xiàn)電機的的空氣冷卻。這種結構比在外表面開螺旋槽的結構加工簡單，經(jīng)濟效益高。但是，只適用于電機在低轉速的情況下 在電機超高速運轉的情況下，空冷是達不到冷卻效果的，只能使用水冷卻。其加工要求 與外缸筒相同。圖3.5(B)內缸筒3.5.4 轉軸轉軸承當著電磁軸承轉子、電機轉子、基準環(huán)等零件

37、的裝配，以及傳遞電機扭矩等功能，所以不但要求結構合理，而且需要加工到所需要的精度。結構如圖3.6所示。圖3.6轉軸結構3.6 電磁鐵的設計從本質上來看，電磁鐵是一種把電能轉換成機械能的電磁元件，在高頻電主軸系統(tǒng)中， 電磁鐵主要提供懸浮轉子所需的電磁力.設計電磁鐵就是在規(guī)定的技術條件基礎上，確定 電磁鐵有關的結構參數(shù)，其中包括鐵心的幾何尺寸、線圈的尺寸、匝數(shù)和線徑等。保證電磁鐵能夠穩(wěn)定可靠的工作。按照勵磁電流的特點，可分為交流和直流電磁鐵。當電磁鐵 中通以正弦交流電時，磁路中的磁通和磁感應強度也是時間的正弦函數(shù)。交變磁場會在 鐵芯中產(chǎn)生損耗，使鐵芯發(fā)熱，因此，交流電磁鐵的鐵芯是用硅鋼片疊成的。

38、一般來說, 直流電磁鐵的勵磁電流大小和方向不隨時間改變。由于沒有鐵芯損耗，所以，它的鐵芯 可以用整塊的鑄鋼、軟鋼制成。直流電磁鐵的勵磁線圈在外加電壓一定時，若不考慮過 渡過程，穩(wěn)態(tài)的線圈電流的大小不變，因而磁勢也不會發(fā)生變化。當轉子處于不同位置 時，由于間隙變小，磁阻增大，電磁吸力也增大?；谏鲜鎏攸c和考慮電路設計的難易 程度，最終選擇的是直流電磁鐵。同時，值得說明的是，本章所做的的各種分析都是在 假定選擇了直流電磁鐵這一前提下進行的13 o(1)線徑可由下式確定(3-1)其中j為電流密度，根據(jù)電機的設計經(jīng)驗取 j=48Amm2(2)磁極弧長及疊片厚度的計算為了簡便起見，采用等分的方法，每個磁

39、極所占的角度取為日=32,則每個磁極的 弧長為ex(D/2 ),而疊片厚度(即磁軸承的軸向長度)為磁極面積與弧長之比，計算如下：11 =0.5D1(3-2)b = S,I1(3-3)(3)窗口面積的計算窗口面積的計算可由下式求得一二 2&ktc=2Nd2(3-4)4式中h為填充系數(shù)，一般為0.8。3.6.1 線圈的電阻和消耗的功率線圈的電阻R可通過公式比較精確的計算出來第15頁共26頁中北大學2014屆畢業(yè)設計說明書(3-5)式中Le為導線的總長度;S為導線的截面積；Pe為溫度系數(shù)；«0 =1/234.5(於C .線圈消耗的功率ps = i2 R(3-6)3.6.2 輔助軸承

40、的確定輔助軸承是在斷電或電路發(fā)生故障時，起保護作用，工作時它不與主軸接觸，一般 采用徑向深溝球軸承，在正常運轉時，輔助軸承是不動的，它與轉子之間的工作間隙必 須小于轉子與定子的氣隙。一般取 0.5g。3.7混合磁軸承的具體參數(shù)設計按照前述理論分析，以磁懸浮電動機的軸承為例來說明混合磁軸承的結構參數(shù)設計 方法。對所設計的混合電磁軸承的要求如下：軸向最大承載能力：F = 6 0 0 N在制造時，徑向磁軸承的定子可以做成像感應電動機的定子那樣，具有許多齒槽的 形式。為了增加電磁鐵的輸出力，采用如圖 3.7所示的鐵芯，在齒槽處卷滿線圈由于設計的磁軸承為 4對磁極，且均勻分布，所以有 a =22.5此外

41、取日=32',取 g0 = 0.5mm。3.7.1 選取永磁材料在設計永磁電磁軸承時，永磁材料內部磁動勢參數(shù)Fm與所選的永久磁鐵去磁曲線有關。為了設計結構緊湊、重量輕的磁軸承，通常選取高飽和磁感應強度的永久磁鐵。 本課題設計磁軸承所選用的永磁體材料是被鐵硼，此材料的去磁曲線呈直線，因此是比 較理想的磁性材料，其飽和磁感應強度 BS=0.8T。3.7.2 確定工作氣隙磁感應強度平衡位置處，上、下氣隙的磁感應強度相等，可知：BsB0S -0.4T23.7.3 磁極面積的計算由式（3-1）得：Sz -2Fzmax0bS2 4二 10 1 1000.82= 0.39 10J3m2xySz20.

42、39 1042= 0.195 10飛m2第28頁共26頁3.7.4 求定子內徑D =d 2go = 40 2 0.5 = 41mm3.7.5 磁極面積的計算1i22180：11.45mm取 l1 =12mmb = Sxy l1 = 14.59mmM b = 15mm由此可得磁懸浮軸承定子由43片厚為0.35mm的硅鋼片疊成3.7.6 安匝數(shù)的計算由式（3-2）得:Nixm=Ni ymNi0.8 0.5 10，4 二 10= 318.47考慮到電流允許瞬時過載，取安匝數(shù) NI =320安匝3.7.7匝數(shù)與電流的分配N =320, 2 =1603.7.8線徑由式（3-3） j=6.4（A/mm）d

43、 _ 4 2一，6.4二=0.631mm取標稱直徑0.63mm 。3.7.9窗口面積的求取Sw 二22Nd2 160黑n x 063）=3 2=0.124 10 m22Ktc2 0.83.7.10永久磁鐵參數(shù)計算由式（3-4）得：:，m =BsSz =0.8 0.39 10=0.312 10，由式（3-5）得:B$g0"V。8 0.5 10“4 二 10= 318.47由式（3-6）得:Fc =2Fm =636.94 cF 一.m c =2：% =0.624 10，F(xiàn) - F c m由式求得永久磁鐵的幾何尺寸，算后取永久磁鐵內徑68mm ,徑向厚度3.1 mm 。徑向磁幗承軸向磁輛承

44、電機 徑向僦軸承l(wèi)liiiiiiiiHHmiitl 而i出而川iiii niHinniiiHiiBiimo4OINV 20INVUI川川刖 miNllWHnMi ih imiii3<PINV4WINV4磁懸浮軸承的工作原理磁軸承按照磁力的提供方式可分為主動磁軸承、被動磁軸承和混合磁軸承，其中混合磁軸承一般采用永磁材料替代主動磁軸承中的電磁鐵來產(chǎn)生偏置磁場，可以降低功率放大器的功耗，縮小磁軸承的體積，因此研究永磁偏置磁軸承是磁軸承研究領域的一個 重要研究方向。目前國際上典型的五自由度磁軸承系統(tǒng)一般采用兩個徑向磁軸承和一個 軸向磁軸承來分別控制徑向、軸向的運動，實現(xiàn)轉子五自由度的穩(wěn)定懸浮，具

45、結構簡圖 如圖4.1 (A),這三個磁軸承在軸向占據(jù)了相當大的空間，限制了高速電機轉速的進一 步的提高，因此研究結構緊湊、體積小、功耗低的磁軸承及磁軸承集成技術是磁軸承的 研究領域的一個重要研究方向14o本文研究無軸承電機的一種新穎的永磁偏置徑向軸向磁軸承，該磁軸承將軸向和徑向磁軸承的功能集于一體，這樣一來，五自由度磁軸承系統(tǒng)中的磁軸承從三個減為兩個， 去掉了一個獨立的軸向磁軸承，使整個系統(tǒng)得以簡化，減小了系統(tǒng)體積和軸向長度，從 而可以提高轉子的臨界轉速、同時降低了磁軸承的功耗，采用永磁偏置徑向軸向磁軸承 和無軸承電機的新型五自由度磁軸承系統(tǒng)如圖 4.1 (B)。從圖中可見新的設計大大縮短 了

46、轉子軸向長度，使得整個系統(tǒng)的結構大大簡化。更為重要的是，這種新型結構的徑向 軸向磁軸承還具有固有的徑向、軸向磁場解耦功能，在此基礎之上就可以應用獨立控制 方法來實現(xiàn)磁軸承系統(tǒng)各自由度的懸浮控制，再通過系統(tǒng)集成實現(xiàn)整個轉子的整體懸 浮。(A)傳統(tǒng)磁軸承系統(tǒng)軸向徑向橫軸承無軸承電機30>INV3GINV3<Z>INV(B)新型五自由度磁軸承圖4.1兩種磁軸承系統(tǒng)的比較4.1 磁軸承的組成一個完整的電磁軸承系統(tǒng)主要由機械系統(tǒng)、偏磁回路、控制回路三個部分組成，各 部分可有多種不同的結構，應根據(jù)應用情況和精度要求等設計。4.1.1 磁軸承的機械系統(tǒng)磁軸承的機械系統(tǒng)是由磁軸承系統(tǒng)的軸承主

47、體(即控制對象)主要包括定子組件、 轉子組件、保護軸承及其他輔助零部件組成。其結構形式主要取決于定子組件的電磁鐵 和永磁體的形式。主要有：軸向電磁軸承、徑向電磁軸承、徑向推力電磁軸承。這里采 用混合徑向軸向電磁軸承于一體的永磁偏置徑向軸向磁軸承。采用如此結構的優(yōu)點在 于：兩個磁軸承合為一個，結構更緊湊，軸向利用率和軸承剛度顯著提高，可突破大 功率和超高轉速限制，并可實現(xiàn)微型化：磁軸承軸向長度大幅度縮短，磁軸承和無軸 承電機之間的耦合程度也大為降低，便于實現(xiàn)五自由度懸?。挥糜诳刂茟腋〉墓β孰?路大為減少，簡化了控制系統(tǒng)；混合磁軸承獨特的磁路結構使其具有軸向徑向自我解 耦的功能，其控制方法與傳統(tǒng)磁

48、軸承電機類似。4.1.2 磁軸承的偏磁回路在永磁偏置的電磁軸承中，偏置磁場是由永磁體提供的，而電磁鐵提供控制磁場， 產(chǎn)生控制磁場的電流可由恒流源提供。 如此的偏置回路可以減低功率放大器的功耗及減 少電磁鐵的安匝數(shù)，縮小電磁軸承的體積，提高承載能力。4.1.3 磁軸承的控制回路其性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項技術指標控制回路是電磁軸承系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié),都有密切關系。它由控制器、功率放大器和位移傳感器等組成。4.2 磁軸承的基本工作原理永磁偏置的電磁軸承結構原理見圖 4.2所示。轉子在永久磁鐵產(chǎn)生的靜磁場吸力作用下處于懸浮的平衡位置（中間位置），這個位置也稱為參考位置。由于結構的對稱性永久磁鐵一慟率放

49、大品圖4.2永磁電磁軸承的工作原理圖永久磁鐵產(chǎn)生的永磁磁通在轉子上方氣隙 1-1處和轉子下方氣隙2-2處是相等的。此時若不計重力則兩氣隙處對轉子的吸力相等，即F1=F2。假設在參考位置上轉子受到一個向下的外擾，轉子就會偏離其參考位置向下運動，由于轉子上下氣隙的間隙變化， 使得其磁通變化。即：上間隙增大，磁通 Gp1減少；下間隙減小，磁通 6p2增加。由于pi cGp2,故由磁場吸力與磁通的關系可得轉子受到的吸力變?yōu)镕1<F2。此時傳感器檢pp測出轉子偏離其參考位置的位移，控制器將這一位移信號變換成控制信號，功率放大器又將該控制信號變換成控制電流 i，該電流流經(jīng)電磁鐵線圈繞組使鐵芯內產(chǎn)生一

50、電磁磁 通中該磁通在轉子上方氣隙1-1處與永磁磁通中懼疊加時，由于永磁磁通與電磁磁通流向相同，故使氣隙1-1,處的總磁通增加，由原來的6 Pl變?yōu)镚p1+9k；磁通9k在轉子下方氣隙2-2處與永磁磁通中2疊加時，由于永磁磁通與電磁通流向相反，故使氣隙4.3 處的總磁通減少，由原來的 中2變?yōu)橹?-中卜。當中k （p2 -中懼）/2兩氣隙處產(chǎn) 生的吸力又變?yōu)镕1_F2使得轉子重新返回到原來的平衡位置。同理，轉子受其它方向 干擾也始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)1504.2.1永磁偏置徑向軸向磁軸承的基本結構和工作原理永磁偏置徑向-軸向磁軸承基本結構見圖4.3,由軸向定子、軸向控制線圈、徑向定子、徑向控制

51、線圈、環(huán)型永久磁鐵等構成。工作時軸向兩個線圈、徑向分1.軸向定子；2.軸向控制線圈；3.軸向磁軸承氣隙；4.徑向磁軸承氣隙5.轉子疊片；6.徑向控制線圈；7.徑向磁軸承定子；8.環(huán)型永久磁體圖4.3永磁偏置徑向一軸向磁軸承結構示意圖別對置的兩個線圈串聯(lián)作為相關自由度的控制線圈。定子鐵芯采用硅鋼片疊壓而成，永 久磁鐵采用稀土材料被鐵硼制成。當徑向-軸向都穩(wěn)定懸浮時，轉子在永久磁鐵產(chǎn)生的 靜磁場吸力下處于懸浮的中間位置，徑向和軸向單邊的氣隙都為0.5mm由于結構的對稱性，永久磁鐵產(chǎn)生的磁通密度在轉子上下、左右和前后的氣隙處是相等的。這類磁軸承利用一個徑向充磁的環(huán)型永磁體來產(chǎn)生軸向和徑向氣隙的偏置磁

52、場，采用單極性結構使偏置磁場在徑向和軸向氣隙流出(入)轉子，消除了轉子旋轉時徑向和 軸向氣隙中的磁極性變化，減小了轉子在高速旋轉時的磁滯損耗。利用永磁體代替電磁 鐵提供偏置磁通后具有如下優(yōu)點：(1)線圈電流只需提供控制磁通，從而使電磁鐵安匝數(shù)顯著減小、磁軸承的銅耗大大降低；(2)在氣隙長度范圍內，磁懸浮力的剛度系數(shù)更接近于常數(shù)；(3)每個自由度只需一個功率放大器，使系統(tǒng)可靠性增強、成本降低。該磁軸承的整體設計緊湊，其功能單元(線圈、磁極鐵心、永磁環(huán)體)幾乎占據(jù)了磁軸承大部分體積，空間利用率非常高。在控制線圈沒有通電的情況下，轉子處于平衡 位置時，環(huán)型永磁體在軸向氣隙處產(chǎn)生的偏置磁通相等，同時在

53、四個徑向氣隙處也產(chǎn)生 相等的偏置磁通，這樣使轉子受到的軸向和徑向的磁阻力合力為零。當轉子偏離平衡位 置時，永磁偏置磁場對轉子產(chǎn)生的磁阻力并不能使轉子回到平衡位置，因此需要一個主 動的閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)去控制軸向控制線圈和徑向控制線圈的電流，產(chǎn)生控制磁通和偏置磁通疊加，使其在轉子的一個方向的磁通增強， 在另一個方向的磁通減少，因此在上、 下（Y）方向上產(chǎn)生的力的大小不一樣，轉子在上、下磁阻力的作用下回到平衡位置。圖4.4是軸向磁軸承的磁路圖，圖中 pm是永久磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通， Gzem 是軸向控制線圈中電流產(chǎn)生的控制磁通，氣隙磁通由這兩部分磁通合成。圖4.5是徑向磁 軸承的磁路圖，圖中標明了

54、 x方向磁通的路徑，pm是永久磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通，xem 是X方向的控制磁通，用同樣的方法可以標明y方向磁通的路徑徑向和軸向混合磁軸承在3個自由度上的工作原理是一樣的。參考圖 4-5,當軸向 穩(wěn)定懸浮時，磁軸承轉子在永久磁鐵產(chǎn)生的靜磁場吸力下處于懸浮的中間位置，也稱這 個位置為參考位置。由于結構的對稱性，永久磁鐵產(chǎn)生的磁通在轉子右面的氣隙 Z1處和 轉子左面的氣隙Z2處是相等的，此時左右吸力相等。如果在此平衡位置時轉子受到一個 向右的外擾力，轉子就會偏離參考位置向右運動，造成永久磁鐵產(chǎn)生的左右氣隙的磁通 變化（假設徑向在平衡位置），即左面的氣隙增大，使永磁體產(chǎn)生的磁通Gpmz2減少，右面的

55、氣隙減少，使永磁體產(chǎn)生的磁通PMZ1增加。根據(jù)磁場吸力與磁通的關系可得：(4-1)(4-2)Z 1PMZ 10 S Z0 S Z220 oSzPMZ 2oSz式中Fz1、Fz2分別為吸力盤左、右面受到的電磁吸力；z1、z2分別為左右氣隙處產(chǎn)生的合成磁通；Sz為軸向磁極的面積； 認為空氣的磁導率。在未產(chǎn)生控制磁通Gzem之前，由于Gpmz2<Gpmz1 ,故Fz2<Fz1。由于外擾力使轉 子向右運動，此時傳感器檢測出轉子偏離其參考位置的位移量，控制器將這一位移信號 轉變成控制信號，功率放大器又將此控制信號變換成控制電流i,這個電流流經(jīng)電磁鐵線 圈繞組使鐵芯內產(chǎn)生一電磁磁通 Szem

56、，在轉子左面的Z2處由勵磁磁通和永磁磁通的流向相同，與永磁磁通Gpmz2疊加，使氣隙Z2處總的磁通增加，即z2=GpMZ2+ZEM ； 勵磁磁通6zem在右面氣隙Z2處，由于與永磁磁通6pmz1的流向相反，故在氣隙Z1處的 總磁通減少為z1 = GpMZ1-ZEM 。根據(jù)吸力公式(4-1)和(4-2),要滿足Fz2Fz1,使轉子回到參考位置的條件為:(4-3) 一 PMZ 1PMZ 2ZEM 一2如果轉子受到一個向左的外擾力，可以用類似的方法進行分析，得到相反的結論。因此，不論轉子受到向右或向左的外擾動，帶位置負反饋的永磁偏置軸向磁軸承系 統(tǒng)，其轉子通過控制器控制勵磁繞組中的電流，調節(jié)左右氣隙磁通的大小，始終能保持轉子在平衡位置。5畢業(yè)設計小結為了減小磁軸承電機的軸向長度、提高臨界轉速、縮小系統(tǒng)體積和提高系統(tǒng)的可靠 性，實現(xiàn)磁軸承的集成化、小型化，本文針對無軸承電機的一種新型的永磁偏置徑向軸 向磁軸承進行了初步的研究，研究工作主要包括以下幾個方面：1