（电力电子与电力传动专业论文）具有被动磁力轴承的无刷直流电机及其控制技术研究.pdf

沈。i 业人学硕士学位论文 s t u d y o n d e s i g na n d c o n t r o l s y s t e m o fab l d cm o t o rw i t hp a s s i v e m a g n e t i cb e a r i n g s a b s t r a c t m a g n e t i cb e a r i n g s ，h a v i n gt h em e r i t so fn o n c o n t a c t ，w i t h o u tl u b r i c a n ts y s t e m ，l a c k o f m e c h a n i c a l w e a r i n g , a n d l o wl e v e lo f n o i s e r e s p e c t i n g t oc o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a lb e a r i n g s ，a r e a t t r a c t i n gm o r ea n d m o r ei n t e r e s t si nt h eh i g hs p e e dr o t a t i n gm a c h i n e sa n ds o m e s p e c i a lf i e l d s a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g sa n dt h eb e a r i n g l e s sm o t o rc a nr e a l i z es t a b l em a g n e t i cs u s p e n s i o n b u t t h et w om a i na d v a n t a g e s h i 曲l e v e lo fl o a dc a p a c i t ya n dc o n t r o l l a b l es u s p e n s i o no ft h e ma r e s o t r t ek i n d b e i n gc o t m t e r a e t e db y t h ed i s a d v a n t a g e so f c o m p l i c a t e dc o n t r o ls y s t e m r e l i a b i l i t yo f s y s t e m ，l o wl e v e lo f r e l i a b i l i t ya n dh i 曲c o s t sa l o n g w i t ht h e u s i n go f n t t m e r o u so f d e v i c e sa n d t h e r e b yl i m i t e dt h e i ra p p l i c a t i o n t h eb e a r i n gs y s t e mt h a tc a l la c h i e v es t a b l es u s p e n s i o nw i t ha s i m p l e s t r u c t u r ei sv e r ya t t r a c t i v e p a s s i v ep e r m a n e n tm a g n e tb e a r i n gi so n ek i n do f m a g n e t i cb e a r i n gu s i n gp e r m a n e n t m a g n e t p r o v i d i n gt h em a g n e t i cs u s p e n s i o nf o r c e w 曲t h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r ea n dc o n t r o l s y s t e m ，h i 曲r e l i a b i l i t y , n of r i c t i o n , l o wl e v e lo f e n e r g yc o n s u m p t i o n ，i ti sw i d e l yu s e di nm a n y f i e l d s i ti sw e l lk n o w nt h a tp a s s i v em a g n e t i c b e a r i n gc a r l tr e a l i z et h es t a b l es u s p e n s i o ni na l l d e g r e e so ff r e e d o m b u tw i t ht h ei n t r o d u c i n go f t h ec o m p e n s a t i o ni no n ef i e e d o m ，s t a b l e s u s p e n s i o n c a r lb e e a s i l ya c h i e v e d i nf f f i sp a p e r , ab r a n dn e w t y p eo f r a d i a lb e a r i n g sa n di t sa p p l i c a t i o ni nab l d cm o t o ri s i n t r o d u c e d t h er a d i a lb e a r i n g s m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t yi sf u l l yp r o b e du s i n g t h ei n f i n i t ee l e m e n t sm e t h o da n dh a sb e e nt e s t e d b ys o m ee x p e r i m e n t s a n dt h ea x i a ls e l f - a l i g n m e n to f t h es t a t o ra n dr o t o ro f e a c hm o t o rt h a ti si nf a v o ro f t h es t a b i l i t yo fr a d i a lb e a r i n g s i sd i s c u s s e d t h e na s p e c i a lb l d c m o t o ru s i n gt h i sk i n do fr a d i a lb e a r i n g s ，h a v i n gas i m p l y m i a 4 2 5c o n t r o ls y s t e m ，i sd e s i g na n dt e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m a g n e t i cs u s p e n s i o ni s a c h i e v e da n dt h em o t o rm e e t st h ed e m a n d s e x p e c t e d k e yw o r d s ：p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g , m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d , b r u s h l e s sd cm o t o r 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究j e 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：趸l 盈! 国 日期：趟垒! 丑幽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：主l 丕：匡】 导师签名： 狮日期过孥至幽旦 沈阳t 业大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 研究背景与意义 传统电机的转子是用两个机械轴承来支撑，机械轴承在旋转过程中的机械摩擦 不仅会产生能量损耗，使轴承磨损和寿命降低，而且还会产生机械振动和噪声。冈 此，机械轴承限制了旋转电机在某些领域中的应用。例如，对于生物医学工程人工 心脏中驱动血液流动的旋转血泵，若采用常规电机，其机械轴承产生的摩擦发热， 会导致血细胞破损、引起溶血和血栓等。对于高速电机，与同等功率的电机相比， 其具有体积小、重量轻等特点，因此在高速机床、涡轮分子泵、高速飞轮、高速燃 汽轮发电等设备中，需要大功率的高速或超高速电动机或发电机，而采用机械轴承 时，转子高速运转对轴承振动冲击增大，机械磨损严重，大幅度缩短了轴承及电机 的使用寿命。因此消除传统轴承的机械磨损、摩擦生热、振动噪声及延长其使用寿 命成为旋转机械的重要发展方向。 用磁力轴承( 根据磁场力是否可控分为主动型和被动型) 取代传统机械轴承是实现非 接触、无润滑、无机械磨损和噪声目标的重大步骤，近年来已经开始在高速旋转机械和 某些特殊领域中得到应用。但由于磁力轴承的存在，致使整个电机结构尺寸和转动惯量 较大，刚度降低，从而影响了磁力轴承电机的应用范围。 近年来发展迅速的无轴承电机通过控制定子绕组电流实现转子的磁悬浮，因而不需 要额外的轴承，与磁力轴承电动机相比，尺寸较小，转速和输出功率可有较大的提高。 但山于无轴承电机特殊的定、转子结构，电机内部错综复杂的电磁关系，使无轴承电机 的控制系统非常复杂，从而也限制其在某些领域的应用。 本课题的开展是基于对人工心脏血泵电机的研究，由于要求血泵电机体积小， 兀机械摩擦，运行可靠免维护等，而采用主动磁力轴承电机和无轴承电机使控制系 统复杂，费用高，在较小的空间里安装传感器较难且降低可靠性，根据近年来围内 外大量的研究试验表明，很难适应血泵电机的特殊要求；而通过采用本文所提出的 完全被动磁力轴承电机结构，在实现f 【l 泵电机转子在径向和轴向的悬浮前提f ，同 时使电机达到所需性能指标，这样不但大大简化了血泵电机的结构，而且使控制系 沈阳工业人学硕上学位论文 统简单并增加了系统的可靠性，降低了成本。 通过本课题的研究，期望通过理论分析和样机试验证明通过采用适当的结构设 计是t 叮以实现被动磁轴承电机的自主悬浮并可用于实际生产当中；另外在完成轴承 电机样机及实验分析的基础上，拟对此种结构在实际领域的应用前景作进一步的可 行性研究，如用于对转子位置精度要求不高的风杌、泵类及储能飞轮领域。由于其 相对简单的结构和控制技术，较低的成本和较高的运行性能，若证实确实町行，将 会大大拓宽磁力轴承的应用领域。 1 2 磁悬浮电机的研究概述 磁悬浮轴承是一种利用磁力将转子悬浮于空间，不需要任何介质而实现轴承承载 的非接触式支承装置，与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，磁轴承明显的特点在于没有 机械摩擦，不需要传力介质，由此而具有传统轴承无法比拟的优越性能：由于没有机械 摩擦和磨损，所以降低了工作能耗和噪声，延长了使用寿命；动力损失小，便于应用在 高速运转场合；出于不需要润滑和密封系统，排除了污染，可应用于真空超净、腐蚀性 介质以及极端温度和压力等特殊工作环境；具有良好的转子动力学特性。 磁悬浮轴承的种类很多，按照悬浮磁场的不同，可分为以下几类： ( 1 ) 按磁场力的来源分为永久磁铁型、电磁铁和永久磁体混合型以及纯电磁体型； ( 2 ) 按磁场力是否可以受控分为被动型和主动型； ( 3 ) 按磁场力类型分为吸力型和斥力型。 根据目前国内外研究发展来看，磁悬浮轴承电机主要包括电磁轴承电机和无轴承电 机，而由于单纯依靠永久磁铁不能实现转子所有自由度的完全悬浮，因此被动磁轴承主 要被用于实现转子部分自由度的支承而组成混合磁轴承电机系统【卜4 】。 图1 1 是由电磁轴承支承的磁轴承电机结构示意图。转子要实现完全的悬浮需要在 其5 个自由度上施加控制力，因此典型的系统都采用3 个磁轴承来支承，其中2 个径向 磁轴承，每个径向磁轴承控制径向相互垂直的两个方向，另外l - b t 黼j 磁轴承控制轴向 自由度，而转轴的旋转自由度由电机部分控制。当转轴在水平方向或垂直方向发生偏离 时，分别控制水平或垂直方向的差动励磁线圈电流，由于电磁力大小与励磁线圈电流及 气隙大小有关，因此可以通过改变励磁电流控制电磁力大小而使转轴趋于平衡位置。为 。2 沈m 一q k 人学硕士学侥论文 r 实时检测转子在径向和轴向的位置以实现对转子的控制，还要在转子的轴向和径向 ： 安装相当数目的位移传感器，因此一个完整的磁轴承系统主要由转子、传感器、控制 器、功率放大器和电磁铁组成。 轴向磁轴承径向磁轴承电机径向磁轴承 匣 虱山删山恤呲山 亡丌_ mr 广广广r t 丌mr 广广广丌 ll ii 匡 口u ul 山u j 圳i jl l jl j l 副。哪皿i 蚵珊 图1 1 主动磁轴承支承电机的结构示意图 电磁轴承支承的轴承电机系统克服了传统轴承支承的电机系统的缺点，对于实现电 机无机械摩擦、高速运行具有重要的意义，但在不同的应用领域依然存在如下问题： 电机的输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率，电机的轴向长度和径向尺 、j 必须要随之加大。由于磁轴承在轴向和径向都占有很大一部分体积，又为了在高速时 能避开转子的临界转速，只能尽量控制电机本身的轴向长度，这样就导致提高电机的功 率比较困难；而电机的转轴径向尺寸则受电磁体材料机械强度的限制。电磁轴承需要 高品质的控制器、高性能的功率放大器和多个造价不菲的位移传感器等，导致磁轴承结 构较为复杂、体积较大和成本较高，数目众多的电子器件也降低了系统可靠性，大大限 制了由电磁轴承支承的轴承电机系统的使用范围。 磁悬浮轴承电机要解决的主要问题是轴承的支撑力，而驱动力仍然依靠电机本 身来解决。因此，磁悬浮轴承电机虽然可以做到悬浮与驱动独立控制，但系统结构 尺寸比较庞大，转动惯量大，系统动态响应比较缓慢，易于引起系统振荡甚至不稳 定运行【5 】o 所谓无轴承电机，并不是说不需要轴承来支承电机转子，而是不需要设计专门的径 向电磁轴承。由丁i 二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力的 绕组叠压到交流电机的定子绕组上，见图1 2 ，电机绕组和径向磁轴承绕组叠放在一 沈刚工业火学硕= _ = 学位沦文 起，使径向力绕阻产生的磁场和电机的旋转磁场合成一个整体，通过探索驱动电机转动 的旋转磁场和产生径向悬浮力磁场的耦合情况以及解耦方法，分别实现独立控制电机的 旋转和转子的稳定悬浮。 轴向磁轴承电机和径向磁轴承电机及径向磁轴承 匡匐卿卿 l li 嘎匐揣揣 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、无机械摩擦和磨损、无需润 滑等优点，还突破更高转速和大功率的限制，拓宽了高速电机的应用范围，与磁轴承支 承的高速电机相比具有下列优点： ( 1 ) 径向力绕组叠压到交流电机的定子绕组上，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，临界转速可以非常高，电机转速只受材料强度的限制， 这样无轴承电机拓宽了高速电机的应用领域，特别是要求体积小、转速高、寿命长的应 用领域，如要求无粉尘、无润滑、小体积的计算机硬盘驱动器、微型高速机床等；另一 方面，在同样转轴长度的情况下，输出功率将比磁轴承支承的电机大幅度提高。 ( 2 ) 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，而无轴承交流电机不再需要，径向力的产生 是基于电机的旋转磁场，径向力控制系统的功耗只有电机功耗的2 5 ，这些优点 适用于航空航天领域，其研究受到科技工作者的重视 6 1 。 无轴承电机系统的研究已经成为当前国内外研究的热点，但目前还主要处于理论和 试验样机研究阶段，离实用化还有一定距离。无轴承电机也存在一些不足，一方面，该 系统具有复杂的非线形强耦合特性，实现电磁转矩和径向力的解耦控制是无轴承电机的 基本要求，从而大大增加了控制系统的复杂性，降低了系统可靠性；另一方面，司电磁 4 沈刚工业大学硕十学位论文 轴承一样，无轴承电机也需要一定数量的位移传感器，更高性能的控制器等，使得其价 格比较昂贵，限制了应用范围。 图1 3 是本文所提出的被动磁力轴承结构示意图。由图可见，浚磁轴承电机系统主 要包括两组永久磁环构成的被动磁轴承和无刷直流电机，通过其适当的结构设计来实现 轴承系统的悬浮。与主动磁轴承电机和无轴承电机结构相比，其轴向尺寸较短，可以实 现较高的转速；该系统的被动磁轴承不需外界实旖控制，整个系统只需实现无刷直流电 机的控制，易于实现，相比之下较以上两种电机系统省去了内部安装的多个传感器、快 速a d 、o a 转换器，微处理器或d s p 等，大大节省了费用。当然，被动磁力轴承结构 在刚度和承载能力上要劣与上述二者，但其在结构和经济性及可靠性上的优势，使其在 某些领域具有相当的应用前景。 被动磁轴承 无刷直流电机 被动磁轴承 图l _ 3 被动磁力轴承电机不意图 1 3 永磁磁轴承研究发展及现状 1 3 1 磁力轴承的发展 从磁力轴承设想的提出，到它的理论和实验研究趋于成熟，经历了一个漫长的过 程。早在1 6 0 年以前，法国就有了关于磁力轴承的专利记载。英国物理学家e a r n s h a w 于】8 4 2 年向人们介绍了永磁轴承，并从数学的角度提出了如下理论：在受力与距离平 方成反比关系的静态力场中，一个物体是找不到稳定的平衡位置的【7 1 。这说明在磁力轴 承系统巾，如果一个动磁环完全处于由永久磁铁或恒定直流电磁铁所形成的静态磁力场 中，其稳定悬浮不可能实现。而要得到稳定的全悬浮状态，至少要对被悬浮磁环的某一 个自由度进行控制。1 9 3 7 年，美国的h o l m a s 教授发表了第一篇有关“轴向磁悬浮”的 5 沈阳t = 业大学硕+ 学位论文 论文，= _ ：始在现代科学技术中引入磁悬浮的概念和在技术上实现磁悬浮【8 。1 9 3 9 年， b r a u n b e c k 对e a r n s h a w 教授所提出的理论进行了洋尽的数学论证，并日指出：存磁力轴 承系统中，动磁环在由永久磁铁( 相对磁导率大于或等丁1 ) 或恒定直流电磁铁所形成的 静态磁力场中得不到稳定悬浮，但是，如果该系统中含有抗磁材料( 相对磁导牢小于0 1 或超导! 材料( 相对磁导率等丁0 ) n 可以实现稳定悬浮。由于抗磁体能悬浮的重量小，刚 度低，超导体悬浮技术的实现要求有制冷系统，其设备结构和技术发展水平还达：；：_ i i 到工 程实用的要求。因此，对被悬浮磁环进行主动控制的电磁轴承渐渐成为磁力轴承理论研 究和技术实现的主要方向。 由于控制理论、控制元件、控制电路、传感技术等方面的问题没有解决，早期的磁 力轴承主要侧重于永磁轴承的研究。英国科学仪器研究学会1 9 5 4 年出版的一本 “m a g n e t i ca n de l e c t r i c a ls u s p e n s i o n ”论文集，集中反映了当时的研究成果。在这方面 进行系统研究的还有美国麻省理工学院( t ) 的德雷伯实验室。他们在这方面的研究对 象主要是飞机、潜艇、导弹和航天飞行器的制导系统。其应用包括坦克的控制，机动导 弹发射装置运载t 具的定位，火炮、坦克或舰艇的发射控制系统，潜艇和飞机的导航， 导弹和探空火箭的制导，宇航领域的测绘等。由于磁力轴承支承的各种陀螺仪表和组件 被逐步应用到空间制导或导航中，飞机、舰艇和地面各类运载工具的导航系统更加完 善。到了六十年代中期，随着控制理论的不断发展和完善以及半导体技术的成熟，法 国、日本、美国相继投入了电磁轴承的研究。1 9 6 9 年法国s e p 公司开始研究永磁和电 磁轴承系统的特性。1 9 7 2 年，电磁轴承被应用到卫星导向器飞轮支承上。与此同时， 美国n a s a 系统也开发永磁和电磁混合型磁力轴承以应用到卫星的储能飞轮上。在日 本，森美朗等分别丁1 9 6 5 年、1 9 6 8 年发表了“可控( 主动) 磁力轴承的基础研究第 艮、第二报、第三报”的论文，建立了磁力轴承单自由度的数学模型，并进行了实验 研究和分析驯。 进入七 m 年代后，随着现代控制理论的发展，实验手段及技术的提高，人们逐步丌 始研究把磁力轴承推广应用到工业设备中去。1 9 7 6 年，法国成立了s 2 m 公司，对超高 精密加工机床用的磁力轴承进行了系统的研究和开发。1 9 7 7 年，该公司开发了世界卜 第一台高速机床的磁悬浮主轴；1 9 8 1 年在h a n o v e r 欧洲国际机床展览会上，首次推出了 一6 - 沈i j ht ：业人学硕士学位论文 b 2 0 5 0 0 磁悬浮主轴系统，并在3 5 0 0 0 r r a i n 速度下进行了钻、铣现场表演，其高速、高 精度、高效、低能耗的优良性能引起了各国专家的极大关注。1 9 8 3 年在巴黎举行的第 五届欧洲机床展览会上，展出了磁力轴承和其支承的机床主轴部件。在日本，1 9 8 4 年 推出了高速铣削磁力轴承主轴头，超高速磨削主轴头，并有已标准化的6 0 0 0 1 8 0 0 0 0 r m i n 的径向轴承和止推轴承1 1 。 。 国内对磁力轴承的研究工作起步较晚，1 9 8 0 年清华大学对磁力轴承的稳定性作了 研究。1 9 8 1 年上海微电机研究所研制过用于电机上径向被动、轴向主动的磁力轴承。 19 8 6 年，广1 1 1 1 7 t 床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在f m s 中的 应用”这一课题进行了研究，随后，哈尔滨工业大学开始研制五维主动磁力轴承机床电 主轴，并与1 9 9 0 年实现了静、动态稳定悬浮。与此同时，清华大学采用单自由度数控 系统也实现了主动磁力轴承机床电主轴的磁悬浮。此后，西安交通大学、天津大学、南 京航空航天大学、武汉理工大学等都在进行这方面的研究工作1 1 1 - 1 3 1 。 1 3 2 永磁轴承的研究现状 目前，国际上对磁力轴承的研究工作非常活跃。1 9 8 8 年在瑞士苏黎世召丌了第一 届国际磁力轴承会议，以后每两年召开一次，交流和研讨该领域的最新成果。目前较为 活跃并处于领先地位的主要有瑞士联邦工学院( e n ) 、美国m a r y l a n d 大学和v i 唧1 1 i a 大 学、日本东京大学和英国s u s s e x 大学等研究机构，以及法国s 2 m 、瑞士i b a g 、英国 g l a c i e r 、美国a v c o n ，m t i ，s a t c o n 等生产厂家【1 4 1 。从近年来国内外工程界和学术界的 研究热点来看，磁力轴承的研究情况主要集中在：新材料尤其是超导磁轴承的研究，磁 力轴承的主动控制以及无传感器磁力轴承的研究。 由于永磁轴承具有无磨损、结构简单、无需润滑等优点，国内外的学者和研究人员 在这方面作了大量的研究工作，并且已经将永磁轴承成功应用于陀螺仪表、人工心脏 f f i l 泵和航空航天器中。在永磁轴承力学特性研究方面，八十年代初，法国的y o n n e t 教 授对轴向和径向永磁轴承的工作特性进行了分析，采用等效磁荷法给出了用于计算径向 斥力型永磁轴承刚度和承载力( 轴向力和径向力) 的数学模型。吉林工业大学、天津大学 和台肥工业大学也先后对永磁轴承的力学特性进行了试验研究【1 5 l 。 7 沈阳d 业人学硕士学位论文 1 4 本课题的主要内容 本课题是在完成人工心脏血泵电机系统过程中由于要求血泵电机体积小、尤摩擦、 运行可靠，而电磁力轴承和无轴承电机均4 i 理想的情况下采用了被动磁力轴承结构，因 此课题的主要同的是分析设计基于被动磁力轴承和无刷直流电机的血泵电机系统结构， 并验证此被动轴承电机系统及其控制系统的可行性。 本课题的研究工作主要包括以下几部分内容： ( 1 ) 永磁轴承及其力学特性的分析研究。重点分析了斥力型径向永磁轴承在径向和 轴向的力学特性及影响其特性的因素，为轴承系统的设计提供有力的理论依据。 ( 2 ) 无刷直流电机结构特性分析及轴承电机系统的设计。分析了由于电机定子、转 子的偏移所带来的径向和轴向磁拉力，利用此特性结合轴承特性设计本文的磁轴承电机 系统，并分析轴承电机系统的稳定性。 ( 3 ) 控制系统的设计及样机试验。介绍了以无刷直流电机专用控制芯片m l 4 4 2 5 为 核心的控制电路和i r 2 1 3 0 为核一t l , 的驱动电路的设计，对整个系统进行试验，并对试验 结果进行分析，验证系统的可行性。 沈阳t 业大学硕十学位论文 2 被动磁力轴承力学特性分析 2 1 引言 被动磁悬浮轴承( 永磁轴承) 是利用磁场力作用将转轴悬浮于空间，使转子j 定子之 问没有机械接触的一神新型高技术轴承，作为磁力轴承的一种形式，它具有自身独特的 优势，它体积小、无损耗、结构简单、性能优良，在特定场合有很好的应用前景。 2 2 永磁轴承材料与结构 2 2 1 永磁材料 磁性材料作为一种重要的功能材料，它在现代工业和科学技术中得到了j “泛的应 用。按矫顽力玩的大小可以将磁性材料分为软磁材料和硬磁材料两大类，矫顽力较小 的( h 。 1 0 4 a m ) 为硬磁材料。对于永磁轴 承，由于它主要依靠永磁体产生的磁场力来工作，从某种意义上说，磁性材料支配着被 动磁力轴承的性能，因此在设计被动磁轴承时，其材料的选择是很重要的【1 6 1 。 所谓软磁利料是指那些矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料，其磁滞回线呈狭长 型。因为软磁材料容易磁化和退磁，而且具有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力 线的作用，所以软磁材料被广泛用来作为导磁材料，以增加磁路的磁通量。 由于软磁材料的磁滞回线所包围的面积小，因而在交变磁场中的磁滞损耗小，所以 软磁材料适用于交变场中。常用的软磁材料有纯铁、低碳钢、硅钢片、铁镍合金、软磁 铁氧体等。纯铁的软磁性能较好，常用来制造大型电磁铁的铁芯。在永磁回路中使用工 业纯铁的效果与低碳钢一样，而低碳钢不仅便宜，并且也容易进行机械加工。硅钢片、 铁镍合金、软磁铁氧体适用于交变磁场的情况，它们具有较高的电阻率和较小的磁滞， 从而可以减小涡流损耗和磁滞损耗，同时也可以改善交变磁场与电流之间的线性关系。 硬磁材料，亦称永磁材料，其磁滞回线宽，磁滞特性非常显著。与软磁材料相反， 硬磁材料具有高剩磁、高矫顽力和高饱和磁感应强度。磁化后可长久保持很强磁性而不 易消除，适于制成永久磁铁。另外，除高矫顽力外，磁滞回线包容的面积，即磁能积 ( b 对硬磁材料而言也是重要的参数，( b 功乘积愈大，则愈难退磁。 一9 沈刚j 5 1 k 人学硕士学位论文 常用的永磁材料有铝镍钴永磁、铁氧体永磁和稀土永磁，其中稀上永磁包括稀上钻 ( 衫钻) 永磁和钕铁硼稀土永磁。其中，铝镍钴永磁材料屏较大，但鼠较小；铁氧体永 磁材料较铝镍钴材料的皿较大：而稀士永磁材料的且和凰都很大，去磁曲线基本为一 直线。由此田看出，各种材料问的差异大多表现在剩磁磁通且、矫顽力磁场强度鼠和 磁能积( b 仞。上，因而产生相同磁场所需要的永磁材料体积也相应不同。在图2 1 中以 实际比例尺度比较了以上四种材料所制作的永磁体，它们在离磁极l o n = l r n 处都产生同样 的磁场。 口垫壁塑竺：! ! 型 图2 1 永磁材料的体积比较 22 _ 2 永磁轴承的基本磁路结构 永磁轴承是利用永磁体产生的磁场力将转轴悬浮起来，它由转动磁环部分( 简称动 磁环) 和静止磁环部分( 简称静磁环) 组成，利用磁性材料同性相斥、异性相吸的原理，使 动磁环悬浮于静磁环之中，保证旋转时动、静磁环不相接触，从而可大大降低运动摩擦 阻力。永磁轴承既可用于承受径向力，也可用于承受轴向力，还可用于同时承受径向力 和轴向力 i 7 , - 2 0 】。 永磁轴承按材料组成大体上可分为两大类：一类是转子和定子都是由永磁体组成； 另一类是转子由软磁材料组成，定子由永磁体和软磁材料共同组成。对于第一类永磁轴 承，其转子和定子一般采用若干个环形永磁体按一定的极性布置而成，磁环主要有两种 磁化方向：径向磁化和轴向磁化。根据两磁环的磁化方向及相对位置的不同，这类永磁 轴承有多种磁路结构。图2 2 为其最基本的磁路结构，图中箭头所示方向为磁化方向。 1 0 沈阳上业人学硕士学位论文 第二类永磁轴承是建立在磁吸力的基础上，磁吸力作用在磁化了的软磁部件之i h j 。图 2 3 为一种径向永磁轴承，当转子作径向运动时，吸力效应来自磁阻的变化，所以又称 为磁阻轴承。这类轴承可以设计成永磁部件不旋转，仅仅软磁部件旋转，这也是解决稳 定性的一种较好的办法。从结构上看，第一类永磁轴承要比第二类永磁轴承更为简单， 更易实现 2 1 翊 。 垦日葺五甲臣日葺正珥 巴皿璋皿匹皿璋回 ll ll il htth 卜叫h tti 定子 转子 定子 h ilh hi a ) 斥力型b ) 吸力型 图2 2 永磁轴承基本磁路结构 i i 图2 3 寻= 向磁阻轴承 软磁 永磁体 沈阳工业大学硕士学位论文 永磁轴承按支承方式分为径向永磁轴承和轴向永磁轴承，按磁力提供形式与排列 方式分为吸力，弘永磁轴承和斥力型永磁轴承。本文所提出的轴承结构主要是基于斥力型 径向永磁轴承，因此本文在进行特性分析时主要以此型轴承为主。 2 _ 3 永磁轴承稳定l 生分析 2 3 1g a r n s h a w 定理 1 8 4 2 年，英国物理学家e a r n s h a w 首先提出被动磁悬浮的概念，并从数学_ i 二证明： 在受力与距离平方成反比关系的恒定磁场中，一个物体是不能处于稳态的，即只有永磁 体构成的永磁轴承系统是不可能在全部自由度上实现稳定平衡的 2 4 2 n 。 设永磁体构成的体系的静磁能为w ，当体系中没有电流时，静磁场的拉普拉斯方程 为v 2 = 0 ，即 孥+ 罂+ 罂：o ( 2 1 ) a 2 x却22 当体系所有合外力为零时，物体处于平衡状态，即 堡：丝：丝：0( 2 2 ) 一 j 缸 咖 瑟 而要使体系处于稳定平衡，静磁能的二阶微商必须大于零，即 尝 o ，尝 o ，婴 0 ( 2 3 ) 可 o ，可o ，可 2 - 3 显然式( 2 1 ) 和( 2 3 ) 是不可能同时满足的。这个结论说明：一个仅由永磁体构 成的外静磁场中，永磁体不可能在全部自由度上都得到稳定平衡，即只有永磁体构成的 永磁轴承系统一定很不稳定的。因此，要想得到稳定的平衡体系，至少要在个方向j ： 引入外力( 如电磁力、机械力等) 进行补偿。 2 3 2 轴承磁力与刚度 设系统只有永磁体构成，磁力各分量分别为只、e 、t ，则以磁力分量表示的拉普 拉斯方程为1 2 8 - 2 9 】 睾+ 竽+ 要：0 ( ：f 4 ) 1 2 。 沈阳： ：业人学硕l 学位论文 定义轴承各方向的刚度为 e ：一娑，k 。：一娑心：一娑 ( 2 5 ) o x0v0 z 代入式( 2 4 ) 得 k ，+ 彤。+ k ：= 0 ( 2 6 ) 由于轴承的对称性( 设永磁轴承呈平面对称布置，z 轴为其对称轴) ，轴承 e 的力只有两个分量：径向力e 和轴向力t ，相应地，有 e = k 。= k ， ( 2 7 ) 2 k ，+ k ：= 0 ( 2 8 ) 式中k ，k ：分别称为轴承的径向刚度和轴向刚度。 如果k ：为正值，则足，为负值，轴承为轴向轴承；如果k ，为t f 值，则k ：为负 值，轴承为径向轴承。 由式f 2 8 ) 可知，由两个共轴磁环组成的永磁轴承，其轴向刚度与径向刚度问存在相 互制约的关系：径向稳定则轴向不稳定，轴向稳定则径向不稳定。 此外，永磁轴承除了存在稳定或轴向不稳定运动外，还可能存在绕某旋转中心的 角自由度运动，如图2 4 所示。对于轴承的角自由度运动，角刚度世。可以由下式计算： k 日= k ，l 2 + k ：r 2 2( 2 9 ) 式中：月轴承半径； l 轴承平面到角度旋转中心( g ) 的距离。 由式( 2 9 ) 可推导出当径向轴承和轴向轴承的几何尺寸分别满足式( 2 1 0 ) 与式 ( 2 11 ) ，则一个径向永磁轴承可以控制4 个自由度，一个轴向永磁轴承可以控制3 个 自由度。 b r 嗟) 2 c z “” 月 工( 警) m ( 2 1 1 ) 、k 一7 1 3 沈阳工业大学硕十学位论文 口 r l l 一高 r 一一一 j 幽 l g 图2 4 磁轴承的角自由度控制 口 2 4 永磁轴承力学特性分析 对于被动磁力轴承，一旦轴承偏离稳定悬浮区域，由于不能像主动磁轴承那样可以 通过施加外界扰动使其回复到稳定区域，这就要求在轴承设计时使之严格工作于稳定区 域内，因此了解永磁轴承的悬浮特性就至关重要。 本文分别采用了解析方法和有限元方法对其进行分析，力求得到永磁轴承比较准确 的力学特性，从而为轴承的设计提供理论依据。 2 4 1 永磁轴承特性的解析分析 永磁环结构尺寸与永磁材料性能的设计与选择，首先需要满足气隙磁通的要求，其 次需要满足磁通稳定性的要求，特别是工作温度和时间的变化，对磁通的影响，不应超 出允许的范围。 通常轴承永磁环平均半径要比磁环截面尺寸和气隙大得多，因此，在计算轴承承载 力时可忽略磁环的曲率效应，把两磁环的相互作用等效为两无限长永磁体的相互作用， 矧时因为磁环通常都是选择矫顽力较大的稀土永磁材料，故也不考虑磁体问的相互退磁 作用。基于上述讨论，采用等效磁荷的方法进行计算。理论分析指出，理想轴承通常都 是由截面相同的环形永磁体组成。径向永磁轴承的结构参数如图2 5 所示，其结构参数 的计算，是基于满足轴承承载力与径向刚度的前提下进行的，往往需要反复多次才能完 成。 山于轴承的对称性，轴承上的力只有两个分量：径向力b 和轴向力丘。当两磁环 的磁化方向平行时，轴承的轴向力( 即承载力) 为0 0 j - 1 4 沈阳t 业入学硕士学位论文 i , i - - - - - - r 。 l _ + i f ；l t i f i o i_ d i tl i i l _ 叫g 一 i 图2 5 稃同水磁轴水结构参数 t ：塑 2 矿( d ) 一( d + ) 一( d 一 ) 】 式中函数妒( x ) 为 ( x ) ：( 2 1 + g ) t a n q 业一2 ( t + g ) t a n i l + g + g t a n - t 墨 一；0 n ( 2 l + g ) 2 + x 2 ) - 2 i n ( + g ) 2 + i n ( 9 2 + x 2 ) 】 轴承的径向刚度为 世，= 旦d r 一- q k 2 r 2 f ( 州( 一倒一纠 式中函数f i x ) 为 m h n 辫 式中：k = j ”磁体的面磁极密度 t ，磁极化强度 ”磁体表面法线 a 。真空磁导率 r 。轴承平均半径 h 磁体厚度 d 轴向位移 卜一磁体宽度 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 沈刚1i , l k 人学硕士学位论文 g 工作7i 隙 本文中的轴承参考尺寸：g = ( ) 4 r a m ，= 6 ，h = 1 0 r a m ，r 。= 1 0 2 n u n ，利用解析 法计算町得轴承轴向回复力与轴向位移的关系蓝线，如图2 6 所示。由图可知，随着轴 承轴向位移的增加，轴向回复力先增大而后逐渐减小，当轴向位移接近磁体厚度中点 时，其轴向刨复力达到最大值。 厂、 声 n 、 、 j 。 陶2 - 1 0 磷环甯摩对轴承释向回每力的影响 司器n r侗酶锻 承的过轴承晰了轴力 示高复表提哦 d 效向 苜圣晡稚喊鼢搬_ 蓦娜鼢 在犬哆瓣默雠 ，十l l 口 小瓯鳓 驮看汲奠奠交恸删贼麓嘲 橼悯帅 肘暇捆 限回合伺向毪 帅瑚懈舭黼辩蝴蚴 向铯珂绚靴觚 型坐塑塑墼 叫z 鬻嚣尝黧黧警蛔复力嘞关系峨其他条删可， 蒜筹博翮妣稚峨棚晌磋禚_ 鬟淼畿纂煞的位置。 1 3 ”h i 1 芏j 日j 删矍力的过零点 _ _ _ k - 二二泛# 一 上： r _ 译 竺o m 竺r ”r i i i 土i 死。 i ； ，卜 - ；j j i ji 与通嚣耋嚣黧篡鬈黧詈絮嗍环不嗍位獭轴鳓撇九 嚣麓慕黧詈答篓黧三竺较，所茹嚣慕蒜篙耄罢淼嚣黧 主淼麓詈黧篓耋黎? 内磁环的正负向蒜三篡姜麓 篱j 嚣黧宴黧黧：两永磁环不攀嚣蒿三荔麓茗鬻雩丢翥 蒙淼嚣：芝竺篙兰登着轴向主蓑鼍琵嚣篙耋芸 裳裟篇篇淼竺警茹意茹麓耋挈纛 鬻篓黧? 裟黧耋篓扎当轴高菇盂= 豪鬻；寸蒜 淼篡兰r 警淼竺当黧轴向作用写磊裂罴萎三鼍：黧 确向硫鼬趟黼雠僦点后蒜差品嚣黧晶嚣麓 - 2 0 沈阳t 业大学硕士学位论文 对比图2 9 径向回复力与轴向位移问的关系i u 以发现，径向同复力的过零点发生在轴向 回复力的晟值点之前，即此时轴承已经不能实现轴承在径向的悬浮了，所以径向磁轴承 不能实现轴向的稳定。由此可推得，轴向轴承在径向也是不稳定的。 广、 ：厂 ，f y l |7 一；7 图2 1 2 轴向回复力与轴向位移的关系曲线 同样，磁环的几何尺寸的变化对轴承轴向回复力也有影响，图2 1 3 是通过磁场分 析计算得到的不同磁环径向宽度时，轴承轴向回复力与轴向位移间的关系曲线。 z v 器 划 回 垣 卑 轴向位移( m m ) 图2 1 3 磁环径向宽度对轴承轴向同复力影响的关系曲线 2 1 沈阳_ j 、【k 人学硕士学位论文 由图可知，轴向回复力随着径向宽度的增大而变大，而且，径向宽度的改变对轴承 轴向回复力的最值点没有明显影响。设来讲，我们选用径向轴承实现径向悬浮时，希 望其轴向 回复力较小，这样有利于该轴向回复力的补偿，因此从这种意义上讲，减小磁 环的径向宽度有利于该目标的实现。然而，根据图2 1 0 ，这会减小径向悬浮网复力，影 响轴承的负载能力，所以，轴承设计时其几何参数的确定需要综合考虑以卜各方面的影 响以达到较合理的设计。 2 5 本章小结 本章介绍了永磁轴承常用的材料及常用构型，然后丰要对径向斥力型永磁轴承进行 了特性分析，通过解析方法和有限元磁场分析的方法对永磁轴承力学特性进行了详细的 分析，得到了永磁轴承径向和轴向的悬浮特性，为后面章节进行轴承电机设计奠定了理 论依据。 2 2 沈刖工业大学硕+ 学位论文 3 无刷直流电机特性分析及轴承电机系统设计 3 1 引言 对于本文中被动磁力轴承电机的设计，包括永磁轴承和无刷直流电机两部分，并且 二者的设计是密切联系的。首先，永磁轴承的设计主要是满足电机的负载要求，根据第 二章中永磁轴承的力学特性确定轴承的几何参数及装配参数等：其次，对于无刷直流电 机，除了满足负载特性对电机电磁转矩的要求外，同时，当轴承电机的转轴稳定悬浮 时，由于转轴本身的重力和负载以及外部的扰动力，使轴承内外磁环问不可避免的产，卜 轴向和径向的偏移，相应的会使电机的定转子发生轴向和径向的偏移，因此对于无刷自 流电机的设计还要考虑由于定转予间的相互作用产生的径向和轴向力对磁力轴承的影 响，并利用电机产生的轴向力作为对永磁轴承轴向回复力的补偿。 3 2 永磁轴承的结构设计 根据第二章中对径向永磁轴承的力学特性分析可以知道，轴承的性质是可以随着两 磁环问的轴向位移的变化而发生改变的【3 4 j 。从图2 1 2 可以看到，当一组磁环在轴向位 移为零时，在径向稳定悬浮的同时，轴承在轴向也可以实现悬浮，只是该悬浮状态是不 稳定的，当受到外界的扰动时，轴向的悬浮状态被打破，并且依靠永磁轴承自身无法达 到新的悬浮状态，要到达新的平衡状态就必须在轴向增加一个外界的约束力以平衡轴承 因轴向位移而产生的轴向回复力。从图2 1 3 可以看出，当一组磁环在轴向即使产生很 小的位移，其在轴向所产生的轴向回复力也达到几十牛顿，这就要求所引进的约束力也 要达到相当大小；同时，考虑到轴向回复力关系曲线是关于原点对称的，如果采用两组 磁环对称安装组成轴承系统，将可以抵消两对磁环之问的轴向回复力，使所需要克服的 轴向回复力大大减小，如图3 1 所示。 由图3 1 a 可知，对于每一组磁力轴承来说，内环的轴向位移皆与外环永磁体的磁 化方向相同，所产生的轴向力都是沿永磁体的磁化方向的，而两组对称安装的磁力轴承 的磁化方向相反，故两内磁环实际受力方向相反。当两内磁环的轴向位移量相等并且位 移量在图2 9 所示的过零点左侧时，轴承在满足径向悬浮的条件下，两组磁环产生的轴 向凹复力相等而相互抵消，可使磁力轴承也获得轴向上的静态稳定悬浮。 2 3 沈阳r 业大学硕十学位论文 ( 如+ d z d z o d z 图3 1 被动磁力轴承结构示意图 a ) 初始位置b ) 受轴向扰动力后的位景 当该磁力轴承承受轴向外力扰动时，假如受到一个自左向右的扰动力，轴承内环将 产生一个自左向右的位移d z ，如图3 1 b 所示。相对于本身的外环而言，两内环位移分 别为a z o + a z 和d z o - d z ，即左侧磁力轴承内外环的轴向偏移量大于右侧磁力轴承内外环的 轴向偏移量，由图2 1 2 可知，左侧磁力轴承产生的轴向回复力大于右侧磁力轴承产生 的轴向回复力，两磁力轴承轴向合力f z 为每组轴承轴向力的代数和，其方向指向右 侧，并且会随着轴向位移量的增大进一步增大，所以此轴承结构