无轴承电机主体及关键部件的结构设计参考.pdf

第1章绪论1.1无轴承电机的研究意义一些精密数控机床、涡轮分子泵、小型发电机或高速飞轮储能等装备中需要用大功率的高速超高速电动机（以下简称为电机）来驱动。我们知道，电机高速运转对机械轴承振动冲击大，机械轴承磨损快，大幅度缩短了轴承和电机使用寿命，为此用机械轴承来支承高速电机严重制约着电机向更高速度和更大功率方向发展。近20多年来发展起来的磁轴承（MagneticBearing)，是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承,易在高速,低摩阻,高(低)温及真空环境下应用较多。图1-1磁轴承支撑的电机结构图图1-1是由磁轴承支承的高速电机结构示意图。磁轴承支承的电机虽然具有突出的优点，但在不同的应用领域依然存在如下问题:电机的转速和输出功率难以进一步提高；磁轴承需要高性能的控制器、功率放大器和多个造价较高的精密位移传感器等，使磁轴承结构较为复杂、1体积较大和成本较高，大大制约了由磁轴承支承的高速电机的使用范围和广泛应用。所谓无轴承电机（BearinglessMotororSelf-bearingMotor），并不是说不需要轴承来支承，而是不需单独设计或使用专门的机械轴承、气浮或液浮轴承。由于磁轴承结构与交流电机定子结构的相似性，把磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠加到电机的定子绕组上，构成无轴承电机（二自由度见图1-2)，保证电机定子等效绕组产生的磁场极对数与径向悬浮力绕组产生磁场极对数的关系为:=1p2p1p2p1，悬浮力绕组产生的磁场和电机定子绕组（或永磁体）产生的磁场合成一个整体，通过探索驱动电机转动的旋转力和径向悬浮力耦合情况以及解耦方法，独立控制电机的旋转和转子的稳定悬浮，实现电机的无轴承化。图1-2无轴承电机的结构示意图无轴承电机一方面保持磁轴承支承的电机系统寿命长、无须润滑、无机械摩擦和磨损等优点外，还有望突破更高转速和大功率的限制，拓宽了高速电机的使用范围，与磁轴承支撑的高速电机相比具有下列优点：径向悬浮力绕组叠加到电机的定子绕组上，不占用额外的轴向空间。2一方面，电机轴向长度可以设计得较短，临界转速可以较高，电机转速仅受材料强度的限制，这样无轴承电机大大拓宽了高速电机的应用领域，特别是在体积小、转速高和寿命长的应用领域，如要求无粉尘、无润滑、小体积环境工作的计算机硬盘驱动器、微型高速机床等；另一方面，在同样长度的电机转轴情况下，输出功率将比磁轴承支承的电机有大幅度提高。结构更趋简单，维修更为方便，特别是电能消耗减少。传统的磁轴承需要静态偏置电流产生电磁力来维持转子稳定悬浮，而无轴承电机不再需要。径向悬浮力的产生是基于电机定子绕组产生的磁场，径向悬浮力控制系统的功耗只有电机功耗的2%5%，这些优点特别适用于航空航天等高科技领域。基于无轴承电机高品质的性能，广阔的应用前景，对提高机械工业制造装备的水平，特别是提高航空航天器工作性能无疑具有现实和深远意义，其研究工作越来越受到国内外科技工作者的高度重视。1.2无轴承电机的研究现状1.2.1无轴承电机的发展状况在费拉里斯和特斯拉发明多相交流系统后，19世纪80年代中期，多沃罗沃尔斯基发明了三相异步电机，异步电机无需电刷和换向器，但长期高速运行，轴承维护保养仍是难题。二次世界大战后，直流磁轴承技术的发展，使得电机和传动系统无接触运行成为可能，但这种传动系统造价很高，因为铁磁性物体不可能在一个恒定磁场中稳定悬浮。主动磁轴承的发明，解决了这个难题，但用主动磁轴承支承刚性转子要在5个自由度上施加控制力，磁轴承体积3大、结构复杂和造价高。20世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需要用超高速离心分离方法生产浓缩铀，磁轴承能满足高速电机支撑要求，于是在欧洲开始了研究各种磁轴承计划。1975年，赫尔曼申请了无轴承电机专利，专利中提出了电机绕组极对数和磁轴承绕组极对数的关系为1。用赫尔曼提出的方案，在那个年代是不可能制造出无轴承电机的。随着磁性材料磁性能进一步提高，为永磁同步电机奠定了有力竞争地位。瑞士苏黎世联邦工学院的比克尔在这些科技进步的基础上，于20世纪80年代后期才首次制造出无轴承电机。几乎与比克尔同时，1990年日本A.Chiba首次实现磁阻电机的无轴承技术。1993年，苏黎世联邦工学院的R.Schoeb首次实现交流电机的无轴承技术。无轴承电机取得实际应用，关键性突破是1998年苏黎世联邦工学院的巴莱塔研制出无轴承永磁同步薄片电机，电机结构简单，大大降低了控制系统费用，在很多领域具有很大应用价值。2000年，苏黎世联邦工学院的S.Sliber研制出无轴承单相电机，再一次在无轴承电机研究历史上前进了一步，降低了控制系统的费用，使得无轴承电机实际应用不仅仅是可想的，而且是经济的。目前国内已发表了多篇综述及理论仿