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无轴承电机的结构设计(含源文件),轴承,电机,机电,结构设计,源文件

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1 上海师范大学本科毕业论文（设计）选题登记表 学生姓名 学号 专业 学 院 指导教师姓名 /职称 题 目 本选题的意义及国内外发展简况： 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（ ，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。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、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（ ， 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 ，保证电机定子等效绕组产生的磁场极对数 1p 与径向悬浮力绕组产生磁场极对数2p 的关系为 : 1p = 2p 1 ，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。 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。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 2 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。 研究内容： 就无轴承交流电机研究现状来看，目前仅停留在理论和样机实验阶段，离实用化还有一定的距离，但就研 究初期成果所体现出来的优越性足以确信其潜在的使用价值。无轴承电机的控制系统是其核心关键技术，决定无轴承 电机能否稳定可靠工作，目前制约其实用化的重要原因是控制问题。无轴承 电机控制的困难在于 该系统具有复杂的非线性强 耦 合特性，主要表现在 无轴承 电机的电磁转矩和径向悬浮力之 间存在藕合。如果不采取有效地解耦措施，无轴承电机不可能稳定运行，因此电磁转矩和径向悬浮力之间解耦控制是无轴承 电机的基本要求； 无轴承 电机的控制系统的设计必须考虑因磁饱和和温度变化等因素所引起的电机参数的变化。设计有效而实用的电机参数变化的控制系统，这也是一个难点。国外在这些方面研究中较具有代表性的方法，一种是针对无轴承异步电机和同步电机提出了一个近似线性化的基于矢量变换的控制算法来实现电磁转矩和径向悬浮力之间的解 耦 控制，但这种算法构造比较复杂，需要对多个磁链矢量进行控制，实现比较困难 。 另一种方法分析无轴承异步电机在负载条件下径向悬浮力和电磁转矩 耦 合的关系，提出了对电机电流的幅值和相角进行补偿来保持旋转磁场的平稳转动和幅值恒定，实现两者之间的解 耦 ，试验表明提出的补偿措施能实现负载条件下电机的稳定工作，并依此针对异步电机提出个间接矢量控制方法。但目前提出的各种方法从解 耦 角度看，仅仅实现了电机的电磁转矩和径向悬浮力控制之间的静态解 耦 ，还未实现完全的动态解耦 ，要确保无轴承电机在过渡阶段的稳定运行，只有实现两者之间的动态解 耦才 是根本的保证。另外文献提出的控制方法没有考虑电机参数的变化来设计控制算法，因此，考虑电机参数的非线性变化、磁路饱和对电机控制性能的影响， 3 研究满足电机动态性能要求的控制器、实现无轴承电机的电磁转矩和径向悬浮力控制之间的动态解 耦 ，是无轴承交流电机的研究重要课题之一 。 研究方法、手段及步骤： 无轴承电机是典型的机电一体化产品，由于它具有上述诸多优良性能及其在众多工业领域内的应用前景，使得无轴承电机技术越来越受到国内外专家、学者的关注与重视。而我国对这一技术的研究尚不成熟，针对这种情况，我们在毕业设计中选择了这一 课题。鉴于无轴承电机不但具有磁悬浮轴承的优点，而且 比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小 ，对于提高高速及超高速运转机械的工作性能具有重要意义， 本文就是基于这些问题提出的。对于一个典型的无轴承电机来说，它主要由机械、检测、控制三大主要部分组成，而控制系统是整个系统的关键，而合理的机械结构设计又是保证承载能力要求和运行稳定可靠的前提，所以，本论文主要对机械系统和控制系统进行分析和设计。 文中以 无轴承电机 的永磁偏置径向轴向磁轴承本体结构的设计（机械部分）及控制系统为主要研究对象，设计出合理的结构参数 和控制系统，并对系统的稳定性进行简要的分析。 第一章介绍了无轴承电机 的研究意义及现状 。此外还介绍了论文的提出及主要内容的安排 。 第二章从无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计。 第三章分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立了数学模型，并以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。 第四章对系统性能指标和稳定性进行分析，按照性能参数的要求计算控制参数 并设计 制器及其控制电路。 第五章总结全文内容，突出研究工作的重点，并对未来的工作进行展望 4 主要 参考文献： 邓智泉，严仰光，“无轴承交流电动机的基本理论和研究现状”，电工技术学报， 2000 年 4 月，第 15 卷第 2 期 邓智泉，何礼高，严仰光，“无轴承交流电动机的原理及应用”，机械科学与技术， 2002年 9月，第 21卷第 5期 朱熀秋，邓智泉，严仰光，袁寿其，“无轴承电机的研究原理及研究现状”，微电机， 2000年，第 6期 朱熀秋，“无轴承电动机轴向磁轴承参数设计与控制系统研究”，电工技术学报， 2002 年 6月，第 17卷第 3期 曾励，陈飞，宋爱平，黄民双，“动力磁悬浮轴承的研究现状及关键技术”，中 国机械工程，