毕业设计62无轴承电机的结构与悬浮控制设计

殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 III 毕业设计 设计题目 ： 无轴承电机的结构 与悬浮控制 系 别 ： 机械工程系 专 业 ： 机械制造工艺及设备 及计算机应用 班 级 ： 01 机 /计 （ 1） 姓 名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 完成时间 ： 05 年 6 月 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 IV 目录 第一章 绪论 1 1.1 无轴承电机的研究意义与现状 1 1.2 论文的提出及论文的内容安排 4 第二章 机械结构的设计 6 2.1 引言 6 2.2 无轴承电机的系统设计 6 2.3 无轴承电机的总体结构设计 8 2.4 无轴承电 机主要零部件的结构设计 9 2.5 无轴承电机的主要零件结构设计 11 第三章 磁悬浮轴承的工作原理及数学建模 17 3.1 引言 17 3.2 磁轴承的组成 18 3.3 磁轴承的基本工作原理 19 3.4 永磁偏置轴向径向磁轴承的建模 23 3.5 混合磁轴承的具体参数设计 32 第五章 结论 36 致谢 37 参考文献 38 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 V 第一章 绪论 1.1 无轴承电机的研究意义与现状 1.1.1 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（ Magnetic Bearing ) ，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。 图 1 1 磁轴承支撑的电机结构图 所谓无轴承电机（ Bearingless Motor or Self-bearing Motor） ， 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殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 VI 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 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。 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。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，广阔殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 VII 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。 1.1.2 无轴承电机的研究现状 1.1.2.1 无轴承电机的发展状况 将磁轴承绕组和电机定子绕组叠 加 在一起，实现 电机和轴承一体化，这个概念最初是由瑞士 R.Bosch 于 20世纪 80 年代末提出来的，在瑞士的 J.Bichsel 实现了同步电机的无轴承技术之后，无轴承电机的研究引起了重视。目前瑞士、日本和美国等国家都大力支持开展这项高新技术的研究工作。日本 T.Ohishi 等人对无轴承永磁电机（ Internal Permanet Magne ）进行了研究，其优点是能够产生强大的悬浮力并易于控制，实验样机运行转速为 2200rpm ；瑞士的 R . Schob 和N.Barletta 等人对无轴承的片状 ( Slice ）电机进行了研究，设计出的电机结构紧凑，采用光电传感器测量转子的位移，数字控制器采用的是主频为 80MHz 的 TMS320C50 作为 CPU 单元，采用开关功率放大器驱动，最高转速达到 4200Orpm .目前正在研究转速为 80000 rpm 无轴承片状电机。 我国已经开始重视研究无轴承电机， 1999 年国家自然科学基金资助了无轴承电机的研究工作，南京航空航天大学、江苏理工大学和沈阳工业大学得到了支持并正在开展无轴承交流电机、无轴承片状电机等的研究。还有一些单位得到了省市有关部门基金的支持 ，也正在研究和探索这项高新技术。目前国内已发表了多篇综述及理论仿真研究的文章，对无轴承电机的研究成果还未进行公开报道。 1.1.2.2 无轴承电机的关键技术的研究现状 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。设殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 VIII 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，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。 1.1.2.3 无轴承电机的应用现状 无轴承 电机，一方面具有磁悬浮轴承的优点，如无接触、无需润滑及无磨损等，可以用于真空技术、无菌车间、腐蚀性介质或非常纯净介质的传输；另一方面电机转速可以做得很高、功率也可以很大，特别适用于高速或超高速数控机床、涡轮分子泵、离心泵、压缩机、飞轮储能装置及小型发电设备等工业领域，特别是无 轴承电机比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小，对于提高航空肮天器的工作性能具有重要意义。无轴承电机作为一种新型结构的电动机，发展才经历 10 多年时间，研究水平还远未达到系统 完善的地步，但是，其研究的进程是飞速的，国外已纷纷研制出无轴承感应电机、无轴承片状电机、无轴承同步磁阻电机、无轴承永磁同步电机等实验样机。无轴承感应电机已用于密封泵（ Canned Pump ）、计算机硬盘驱动装置；无轴承片状电机已用于人工心脏泵中，初步显示了无轴承 电机对国民经济和人民生活质量提高等方面所起的作用，相信无 轴承 电机的研究成果用于机械工业、机器人及航空航天等领域会对国民经济产生巨大的影响。 1.2 论文的提出及论文的内容安排 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 IX 1.2.1 论文的提出 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。 1.2.2 论文内容的安排 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 PID 控制器及其控制电路。 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。 第二章 机械结构的设计 2.1 引言 本课题主要研究的无轴承电机的结构和电机结构有较大的相似之处，只是在普通电机中加入一个本文侧重研究 的永磁偏置径向轴向磁轴承而已。接合具体的情况，在实际设计过程中许多尺寸的确定是借鉴和参考电机设计而得出，在设计过程中要殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 X 注意综合考虑以下一些情况： （ 1）磁轴承的定、转子一般是由硅钢片叠加成的，每片硅钢片的厚度取决于磁轴承的几何尺寸，磁轴承的尺寸越小硅钢片越薄。转子直径 d 只受惯性离心力作用下材料强度的限制。而在材料力学中，材料的强度和转速之间的关系可表示为：2 ，其中 表示材料的密度，硅钢片的密度为 37800 mkg ， 表示材料的强度，查阅资料可知，硅钢片的强度为 3610310 mN ，从而可以确定转子的最大直径 md 063.0 。 （ 2）在永磁偏置径向轴向磁轴承中的永磁体是一个磁环。为了满足机械加工要求，考虑到永磁体的外形、结构以及材料特性，在设计其尺寸时，需要限制其径向厚度不能小于 0.002m。 （ 3）由于转子硅钢片是通过机械加工后，然后通过紧配合装配固定在转轴上的，因此，在高速旋转的情况下，转子轴肩 处的剪切应力是最集中的地方，必须考虑转子轴肩处材料的剪切强度是否能够达到要求，因此要限制转轴的最小直径。 （ 4）为了尽量减小漏磁，所以在永磁体与定子叠片的接触面上，永磁体的贴合面要小于等于定子叠片的外圆柱面，以紧贴合于定子叠片外径。 （ 5）在设计过程中，要注意控制线圈在外壳中的体积约束。径向控制线圈的截面积要小于定子槽面积。轴向控制线圈的截面积要综合径向控制线圈截面积和外壳的内腔面积来综合考虑，要使径向线圈和轴向线圈相互间不接触，也要考虑到径向、轴向磁路的走向尽可能的减少重叠，还要考虑到外壳的轴向长度尽可能的短，以减少整个磁轴承部分的长度、体积。 2.2 无轴承电机的系统设计 无轴承电机的结构设计与普通轴承电机的设计既有相同，又有不同之处。普通轴承电机的设计包括转轴的结构布置，轴径估算，跨距和悬伸量的确定，静态和动态特性计算，外壳的结构和尺寸的确定，润滑油路及冷却通道的设计等。在设计无轴承电机的结构时，除了润滑油路，其他的都要考虑，另外还要单独设计普通电机所没有的永磁偏置径向轴向磁轴承的具体结构，如永磁铁和电磁铁的结构和线圈参数的设计。设计出来的永磁偏置径向轴向磁轴承与电机相配合即为无轴承电机的总体结构。 2.2.1 转轴部件主要结构尺寸的设计 （ 1）转子直径 d 和磁场宽度 b 的确定 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XI 本课题转子直径 d 的范围由设计要求给出，在结构允许的前提下，为提高其承载能力、改善其动态特性，尽可能增加转子直径，所以我们取给出范围的上限，即d=40mm。 磁场宽度是指磁轴承电磁铁的轴向尺寸，为减小电机的轴向尺寸，磁场宽度取小值，大约为轴承转子的 2/3。 （ 2）悬伸量 a 和跨距 l 的确定 一般主轴设计时，其刚度主要由主轴本身的刚度和轴承的刚度两方面决定 ，悬伸量与跨距有一个最佳比值。然而，由于磁轴承主轴部件的设计对其控制系统有影响，因此在主轴设计时，不仅要考虑 la 的最佳值，而且要考虑给控制系统带来的影响。本次设计的磁悬浮电动机为卧式结构，主轴直径小，根据经验，取主轴全长为 l3 。 （ 3）磁轴承转子的轴向尺寸的确定 径向磁轴承限制了转轴的四个自由度及提供径向的支撑刚度，但由于径向磁轴承对转轴有自动定位的作用，使得转轴在轴向也受到一定的对中力。为避免这一对中力与轴向磁轴承对转轴的 对中控制发生耦合，设计时可以考虑使磁轴承转子轴向尺寸略大于其定子的轴向尺寸。 2.2.2 主轴上零件的布置 传感器对永磁偏置磁轴承控制系统的性能有很大的影响，在系统中，主轴的回转精度和轴向位置精度由传感器本身精度、位置及基准环的精度决定的。因此对传感器的布置应特别注意。一般来说，径向传感器安装在径向磁轴承的旁边，但应注意，基准环不应选在转轴主振动节点处。从理论上讲，轴向传感器安装时，其基准环可以安装在转轴的任何位置，但实际上受到转轴结构的限制。为便于安装、测量，可安装在转轴的后端。 2.3 无轴承电机的总体结 构设计 无轴承电机 的基本组成如图 4-1 所示，它主要由永磁铁、电磁轴承转子及其定子、电机转子及其定子、转轴、传感器及其支架、辅助轴承、端盖、缸筒等组成。 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XII 100图 2-1 无轴承电机 的总体结构示意图 该电机在结构上的主要特点有： （ 1）电机轴向以电机定子为定位基准，以轴肩、轴套、电磁轴承本身定位，径向直接以内缸筒内经定位，定位简单方便。 （ 2）设计电机的零部件形状简单，无须设计专用夹具，故加工方便，节约经费。 （ 3）多采用标准件，不但节省设计时间 ，而且缩短生产流程，提高生产效率。 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XIII （ 4）除电机转子及磁轴承转子与转轴的配合采用过渡配合外，其余不是间隙配合就是无须配合，故而大多零件无须进行精加工，大大减少加工工序。 （ 5）转子与定子均采用叠片结构，材料为软磁材料，从而涡流损耗小。 （ 6）轴向、径向线圈处于同一结构内，可以进行自我解耦。 （ 7）由于所设计的磁轴承系统采用装入式电机，即将电机的转子与轴承的转子固定在一个主轴上，所以，减免了驱动环节。 （ 8）为防止突然断电或磁轴承失控时，转子和电机及磁轴承的定子相碰，损坏转子，设计了一对深沟球轴承作为保护装置 。 （ 9）多采用螺栓、螺钉和紧定套环固定，易于装卸。 （ 10）通过在一个方向上布置四个传感器，并接成差动结构，从而进一步提高了测量精度。 2.4 无轴承电机主要零部件的结构设计 2.4.1 无轴承电机磁悬浮轴承总体结构设计 2.4.1.1 磁悬浮轴承的选择 磁悬浮轴承种类很多，按受控自由度可分为一轴、二轴直至五轴；按利用的磁场力的类型可分为吸力型及斥力型。但目前，磁轴承一般分为主动磁轴承（ Active Magnetic Bearing，简称 AMB）、被动磁轴承（ Passive Magnetic Bearing，简称 PMB）和混合磁轴承（ Hybrid Magnetic Bearing， 简称 HMB）三类。其中 AMB 利用电磁铁产生可控的电磁力，实现转子的悬浮； PMB 完全利用不可控的永磁体或超导材料产生磁力； HMB 则由电磁铁和永磁体共同产生磁力。由于第三类磁轴承本身的研究在国内、外倍受重视。而且这种新型磁轴承和以往的磁轴承相比，在结构上能够大大地减小尺寸、体积，在系统上可以减少系统的重量、功耗，同时这种磁轴承还具有自身能够实现径向、轴向磁场解耦的优点，完全符合无轴承电机尽量减小轴向尺寸、减少系统的重量、功耗等要求。所 以本课题拟采用此类轴承。分析现今此类轴承的发展状况，采用新型的三自由度永磁偏置径向轴向磁轴承。 2.4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计 永磁偏置径向轴向磁轴承与普通磁悬浮轴承大体相一致，只是多加了一个永磁体来提供偏置磁场，根据一般磁轴承结构，结合永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XIV 理，设计其总体结构如下图 2-2 所示 1. 轴向定子 2. 径向控制线圈 3. 永磁体 4. 轴向控制线圈 5. 转子硅钢片 6. 转轴 7. 径向定子 8. 定位铝圈 图 2-2 永磁偏置径向轴向磁轴承总体结构示意图 该磁悬浮轴承在结构上的主要特点有 ： （ 1） 轴向定子由三个零件组装而成，比整体结构而言，虽然在连接处存在漏磁现象，但是加工方便，经济效益好，而且比整体结构装配方便。 （ 2） 转子硅钢片直接以轴肩定位，无须设计定位轴套。 （ 3） 径向控制线圈绕在径向定子的齿槽内，而轴向线圈则直接绕在轴向定子设计出来的凸台上，绕线简单可行。 （ 4） 轴向定子用螺钉连接，装卸方便。 （ 5） 各零件径向皆以彼此的内外径定位，而轴向则增加了两个铝圈，尺寸大小一致，一来可以保证永磁体和径向定子定位在整个磁轴承的正中，同时铝不 导磁，故不存在扰磁、漏磁及耗磁问题。 （ 6） 轴向定子设计成台阶状，便于与磁轴承外圆定位及装配。 （ 7） 整体结构轴向尺寸小，从而缩短了电机主轴的跨距，增大电机的扭矩及输出功率。 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XV 2.5 无轴承电机的主要零件结构设计 2.5.1 电磁轴承的定子与转子 定子是电磁轴承最关键的部件之一，它主要由定子铁芯、定子绕组等组成的八极结构，如图 2-3 所示。 图 2-3 电磁轴承定子结构简图 定子铁芯由导磁性能好的软磁材料 （如硅钢）薄片制成，转子是定子的衔铁，故必须采用导磁性能 好的软磁材料（硅钢）薄片粘叠而成。 此类零件早有先例，结合磁悬浮轴承的具体参数，参照电机定子结构设计即可。考虑到电机尺寸较小，采用八极结构即可。齿槽结构很多，采用上述结构，主要是考虑其齿槽较大，方便传感器的传输线从其中穿过，无须专门设计线路通道，同时也减少加工工序。 2.5.2 传感器支架及其基准环 传感器支架用于支撑位移传感器探头，无论是水平方向还是垂直方向，都采用两个传感器差动检测转子位移，因此，在同一个方向上安置的螺孔必须是同轴共线的，水平和垂直方向的轴线必须满足一定的垂直度要求。其结构如图 2-4 所 示。 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XVI 图 2-4 传感器支架 传感器支架的四个方向不但开了传感器支撑孔，而且挖空一块，一来减轻电机重量，更主要的还是方便线路通畅，同时还是冷却空气内外交替的主要途径。 另外，如此结构也方便传感器支撑孔的加工。在圆柱表面进行加工孔加工，保证其形位公差。况且这四个孔需要一定的同轴度与垂直度要求。 图 2-5 基准环 转子的位移信号是通过传感器基准环传递给传感器的，故对传感器基准环的要求主要 是表面质量，以及与转子是同轴同心问题，加工要求较高。其结构如图 2-5 所示。 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XVII 基准环只是传递旋转信息，故结构不须太过复杂，但加工要求很高。首先要控制其同轴度在 7 8 级之内，一般采用精镗加工。其次其外圆表面加工精度要达到IT6 IT7,表面粗糙度要求aR0.8 0.2 m ，一般采用精细车或者磨削加工。 2.5.3 缸筒 缸筒用于支撑电磁轴承机械系统及驱动转子的电动机等，因此要求具有良好的散热结构能力，本文采用空冷，具体结构如图 2-7 。 外缸筒旨在使装入的电机与端盖连接为一个整体，故结构越简单越好。本文采用了最简单的圆筒型，为了安装吊环，特作了一个吊环凸台。这种结构的加工主要在其左右端面以及内圆面。首先，内圆面与内缸筒配合，而内缸筒直接与磁轴承定子配合，故需保证其平行度和同轴度，一般其平行度误差为 0.16mm ，同轴度为 8 级。其次，其两端面同上述端盖的端面要求，即端面径向跳动 8 级。而其端面的螺纹孔则要求位置度误差。具体见零件图。 （ A）外缸筒 内缸筒主要起装配电机定子、磁轴承定子、传感器支架以及定位轴套和为电机散热的作用。最简单的圆筒即可。其上的冷却结构很多，有在外表面开螺旋槽水冷和在内表面开空冷槽等多种方式。本文采用最简单的在内部开通槽的结构。空冷槽与前后端盖上的通气孔相连，实现内外空气交替转换，从而实现电机的的空气冷却。这种结构比在外表面开螺旋槽的结构加工简单，经济效益高。但是，只适用于电机殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XVIII 在低转速的情况下。在电机超高速运转的情况下，空冷是达不到冷却效果的，只能使用水冷却。其加工要求与外缸筒相同。 （ B）内缸筒 图 2-7 (A) 外缸筒 （ B）内缸筒 2.5.4 转轴 转轴承当着电磁轴承转子、电机转子、基准环等零件的装配，以及传递电机扭矩等功能，所以不但要求结构合理，而且需要加工到所需要的精度。结构如图 2-8 所示。 图 2-8 2.5.5 电磁轴承端盖 端盖用于支撑辅助轴承以及固定缸筒，冷却空气和导线均从后端盖进入，因此殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XIX 结构较为复杂，见图 2-6 。 （ A） （ B） 图 2-6 （ A）前端盖 （ B）后端盖 由上图可知，这种端盖结构形状规则，无须设计专门夹具，直接可以在铣床和磨床的自带夹具上生产。由于该零件的配合内端面有 8 级的径向跳动，故须在粗铣殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XX 之后磨一下。另外，前端盖与轴配合，后端盖与轴向传感器配合，故都存在圆柱度误差（ 7 级）和径向跳动（ 7 级），需镗孔，表面粗糙度aR6.3。 第三章 磁悬浮轴承的工作原理及数学建模 3.1 引言 磁轴承按照磁力的提供方式可分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁轴承 ，其中混合磁轴承一般采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，可以降低功率放大器的功耗，缩小磁轴承的体积，因此研究永磁偏置磁轴承是磁轴承研究领域的一个重要研究方向。目前国际上典型的五自由度磁轴承系统一般采用两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承来分别控制径向、轴向的运动，实现转子五自由度的稳定悬浮，其结构简图如图 3-1（ A），这三个磁轴承在轴向占据了相当大的空间，限制了高速电机转速的进一步的提高，因此研究结构紧凑、体积小、功耗低的磁轴承及磁轴承集成技术是磁轴承的研究领域的一个重要研究方向。 本文研究无轴承 电机的一种新颖的永磁偏置径向轴向磁轴承，该磁轴承将轴向和径向磁轴承的功能集于一体，这样一来，五自由度磁轴承系统中的磁轴承从三个减为两个，去掉了一个独立的轴向磁轴承，使整个系统得以简化，减小了系统体积和轴向长度，从而可以提高转子的临界转速、同时降低了磁轴承的功耗，采用永磁偏置径向轴向磁轴承和无轴承电机的新型五自由度磁轴承系统如图 3-1（ B）。从图中可见新的设计大大缩短了转子轴向长度，使得整个系统的结构大大简化。更为重要的是，这种新型结构的径向轴向磁轴承还具有固有的径向、轴向磁场解耦功能，在此基础之上就可以应用 独立控制方法来实现磁轴承系统各自由度的悬浮控制，再通过系统集成实现整个转子的整体悬浮。 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXI （ A）传统磁轴承系统 （ B）新型五自由度磁轴承 图 3-1 两种磁轴承系统的比较 3.2 磁轴承的组成 一个完整的电磁轴承系统主要由机械系统、偏磁回路、控制回路三个部分组成，各部分可有多种不同的结构，应根据应用情况和精度要求等设计。 3.2.1 磁轴承的机械系统 磁轴承的机械系统是由磁轴承系统的轴承主体（即控制对象）主要包括定子组件、转子组件、保护轴承及其他辅助零部件组成。其结构形式主要取决于定子组件的电磁铁和永磁 体的形式。主要有：轴向电磁轴承、径向电磁轴承、径向推力电磁轴承。这里采用混合径向轴向电磁轴承于一体的永磁偏置径向轴向磁轴承。采用如此结构的优点在于： 两个磁轴承合为一个，结构更紧凑，轴向利用率和轴承刚度殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXII 显著提高，可突破大功率和超高转速限制，并可实现微型化： 磁轴承轴向长度大幅度缩短，磁轴承和无轴承电机之间的耦合程度也大为降低，便于实现五自由度悬浮； 用于控制悬浮的功率电路大为减少，简化了控制系统； 混合磁轴承独特的磁路结构使其具有轴向径向自我解耦的功能，其控制方法与传统磁轴承电机类似。 3.2.2 磁轴承的偏磁回路 在永磁偏置的电磁轴承中，偏置磁场是由永磁体提供的，而电磁铁提供控制磁场，产生控制磁场的电流可由恒流源提供。如此的偏置回路可以减低功率放大器的功耗及减少电磁铁的安匝数，缩小电磁轴承的体积，提高承载能力。 3.2.3 磁轴承的控制回路 控制回路是电磁轴承系统的一个重要环节，其性能与系统的稳定性及各项技术指标都有密切关系。它由控制器、功率放大器和位移传感器等组成。 3.2.3.1 控制器 控制器的电路部分可以是模拟的，也可以是数字的。采用模拟电路的好处是响应快、性能好且稳定、成本较低；而采用数字电路的优势在于易于实现复杂的控制规律、易于修改，但存在时间延迟较大的缺点。 目前，广泛采用的控制器是经典 PID（比例 积分 微分）电路，也可以采用精确的数字控制。设计的主要内容是确定其电路参数的选择范围，以保证控制的稳定性。 3.2.3.2 功率放大器 功率放大器是电磁轴承系统的一个重要环节，它与采用的控制直接有关，同时也影响调节参数的选取范围。功率放大器的输入为控制电压，输出可以是电压或 电流。 在电磁轴承系统中功率放大器的作用是向电磁铁提供产生电磁力所需的电流。常见的功率放大器有两种形式：即电压 电压型功率放大器和电压 电流功率放大器。从传递函数来看，前者的传递函数是一个无量纲量，而后者具有量纲。从输出量的性质来看，前者的输出为电压而后者为电流。在电磁轴承系统中，若采用电压 电压型功率放大器，我们称之为电压控制策略；若采用电压 电流功率放大器，则称之为电流控制策略。 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXIII 虽然，目前常见的功率放大器多为电压 电压功率放大器，但在电磁轴承系统中采用的往往是电压 电流功率放大器。功率放大器的输出与电 磁铁线圈相联后，直接控制的是线圈上的电流。 3.2.3.3 传感器 传感器是电磁轴承系统的核心部件之一，它的性能对系统的控制精度起决定作用。其反馈信号可以是多种多样的，位移、速度、电流、电磁力、磁通量等都可以作为反馈控制信号。目前，多采用位移传感器，轴向推力电磁轴承也可以采用速度传感器。 由于电磁铁线圈电感的影响使电流产生滞后，势必影响到系统的各项性能指标，因而，选择的传感器应能消除上述因素的影响。具体地说，电磁轴承系统对位移传感器的第一个要求是非接触式的，进一步说，这种传感器必须能够测量旋转表面，所以转子 的几何形状、表面质量等都将影响测量结果。从理论上看，利用电容、电感、霍尔效应、磁阻抗等均可实现此目的。 电磁轴承对传感器的要求还有：能真实反映出转子中心的位移变化；具有很高的灵敏度、信噪比、线性度、温度稳定性、抗干扰能力及精度的重复性，同时还要求有一定的频率范围。 3.3 磁轴承的基本工作原理 永磁偏置的电磁轴承结构原理见图 1 所示。转子在永久磁铁产生的静磁场吸力作 用下处于悬浮的平衡位置 (中间位置 ) , 这个位置也称为参考位置。由于结构的对称性 , 永久磁铁产生的永磁磁通在转子上方气隙1-1 处和转子下方气隙2-2 处是相等的。此时若不计重力则两气隙处对转子的吸力相等 , 即 F1=F2。假设在参考位置上转子受到一个向下的外扰 , 转子就会偏离其参考位置向下殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXIV 运动 , 由于转子上下气隙的间隙变化 , 使得其磁通变化。即 : 上间隙增大 , 磁通1p减少 ; 下间隙减小 , 磁通2p增加。由于21 pp , 故由磁场吸力与磁通的关系可得转子受到的吸力变为 F1F2。此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移 , 控制器 将这一位移信号变换成控制信号 , 功率放大器又将该控制信号变换成控制电流 i, 该电流流经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通k,该磁通在转子上方气隙 1-1 处与永磁磁通1p叠加时 , 由于永磁磁通与电磁磁通流向相同 , 故使气隙1-1 处的总磁通增加 , 由原来的1p变为kp 1；磁通k在转子下方气隙 2-2 处与永磁磁通2p叠加时 , 由于永磁磁通与电磁通流向相反 , 故使气隙 2-2 处的总磁通减少 , 由原来的2p变为kp 2。当k (12 pp )/2 时 , 两气隙处产生的吸力又变为 F1 F2 使得转子重新返回到原来的平衡位置。同理 , 转子受其它方向干扰也始终能处于稳定的平 衡状态。 3.3.1 永磁偏置径向轴向磁轴承的基本结构和工作原理 永磁偏置径向 -轴向磁轴承基本结构见图 3-3，由轴向定子、轴向控制线圈、径向定子、径向控制线圈、环型永久磁铁等构成。工作时轴向两个线圈、径向分1.轴向定子； 2.轴向控制线圈； 3.轴向磁轴承气隙； 4.径向磁轴承气隙 5.转子叠片； 6.径向控制线圈； 7.径向磁轴承定子； 8.环型永久磁体 图 3-3 永磁偏置径向 轴向磁轴承结构示意图 别对置的两个线圈串联作为相关自由度的控制线圈。定子铁芯采用硅钢片叠压而成，永久磁铁采用稀土材料钕铁硼制成。当径向 -轴向都稳定悬浮时，转子在永久磁铁产殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXV 生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置，径向和轴 向单边的气隙都为 0.5mm。由于结构的对称性，永久磁铁产生的磁通密度在转子上下、左右和前后的气隙处是相等的 。 这类磁轴承利用一个径向充磁的环型永磁体来产生轴向和径向气隙的偏置磁场，采用单极性结构使偏置磁场在径向和轴向气隙流出（入）转子，消除了转子旋转时径向和轴向气隙中的磁极性变化，减小了转子在高速旋转时的磁滞损耗。利用永磁体代替电磁铁提供偏置磁通后具有如下优点： 线圈电流只需提供控制磁通，从而使电 磁铁安匝数显著减小、磁轴承的铜耗大大降低； 在气隙长度范围内，磁悬浮力的刚度系数更接近于常数； 每个自由度只需一个功率放大器，使系统可靠性增强、成本降低。 该磁轴承的整体设计紧凑，其功能单元（线圈、磁极铁心、永磁环体）几乎占据了磁轴承大部分体积，空间利用率非常高。在控制线圈没有通电的情况下，转子处于平衡位置时，环型永磁体在轴向气隙处产生的偏置磁通相等，同时在四个径向气隙处也产生相等的偏置磁通，这样使转子受到的轴向和径向的磁阻力合力为零。当转 子偏离平衡位置时，永磁偏置磁场对转子产生的磁阻力并不能使转子回到平衡位置，因此需要一个主动的闭环伺服控制系统去控制轴向控制线圈和径向控制线圈的电流，产生控制磁通和偏置磁通叠加，使其在转子的一个方向的磁通增强，在另一个方向的磁通减少，因此在上、下（ Y）方向上产生的力的大小不一样，转子在上、下磁阻力的作用下回到平衡位置。 图 3-4 是轴向磁轴承的磁路图，图中 PM 是永久磁铁产生的静态偏置磁通，ZEM 是轴向控制线圈中电流产生的控制磁通，气隙磁通由这两部分磁通合成。图3-5 是径向磁轴承的磁路图，图中标明了 x 方向磁通的路径， PM 是永久磁铁产生的静态偏置磁通， XEM 是 X 方向的控制磁通，用同样的方法可以标明 y 方向磁通的路径。殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXVI 图 3-4 轴向磁轴承的磁路图 图 3-5 径向磁轴承的磁路图 径向和轴向混合磁轴承在 3 个自由度上的工作原理是一样的。参考图 3-4，当轴向稳 定悬浮时，磁轴承转子在永久磁铁产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置，也称这个位置为参考位置。由于结构的对称性，永久磁铁产生的磁通在转子右面的气隙 Z1 处和转子左面的气隙 Z2 处是相等的，此时左右吸力相等。如果在此平衡位置时转子受到一个向右的外扰力，转子就会偏离参考位置向右运动，造成永久磁铁产生的左右气隙的磁通变化（假设径向在平衡位置），即左面的气隙增大，使永磁体产生的磁通 2PMZ 减少，右面的气隙减少，使永磁体产生的磁通 1PMZ 增 加。 根据磁场吸力与磁通的关系可得： ZP M ZZZZ SSF02 102 11 (2-1) ZP M ZZZZ SSF02 202 22 (2-2) 式中 Fz1、 Fz2 分别为吸力盘左、右面受到的电磁吸力； z1、 z2分别为左右气隙处产生的合成磁通； ZS 为轴向磁极的面积；0为空气的磁导率。 在未产生控制磁通 ZEM 之前，由于 2PMZ 1PMZ ，故 Fz2Fz1。由于外扰力使转子向右运动，此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号转变成控制信号，功率放大器又将此控制信号变换成控制电流 i，这个电流流经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通 ZEM ，在转子左面的 Z2 处由励磁磁通和永磁磁通的流向相同，与永磁磁通 2PMZ 叠加，使气隙 Z2 处总 的磁通增加，即 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXVII z2= 2PMZ + ZEM ；励磁磁通 ZEM 在右面气隙 Z2 处，由于与永磁磁通 1PMZ 的流向相反，故在气隙 Z1处的总磁通减少为 z1= 1PMZ - ZEM 。 根据吸力公式 (2-1)和 (2-2)，要满足 Fz2 Fz1，使转子回到参考位置的条件为： 2 21 P M ZP M ZZ EM (2-3) 如果转子受到一个向左的外扰力，可以用类似的方法进行分析，得到相反的结论。因此，不论转子受到向右或向左的外扰动 , 带位置负反馈的永磁偏置轴向磁轴承系统，其转子通过控制器控制励磁绕组中的电流，调节左右气隙磁通的大小 , 始终能保持转子在平衡位置。 3.4 永磁偏置轴向径向磁轴承的建模 为方便起见，先对后面用到的符号作如下的规定： S 单个磁极的截面积（ 2m ）； D 定子的内径（ m）； d 转子的外径 （ m）； 0g 半径气隙，0g=（ D-d） /2； x 转子位移； b 磁轴承的轴向长度（ m）； 0 气隙处的磁感应强度（ T）； S 饱和磁感应强度（ T）； I 绕组的励磁控制电流（ A）； N 单个磁极励磁线圈的匝数。 3.4.1 磁路计算的基本定律和公式罗列 设磁路是一均匀截面为 S，长度为 L，铁磁材料的磁导率为 的回路，则有 H=B/ （ 3-4） 式中 HBr 0，真空磁导率 mH70 104 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXVIII SB （ 3-5） LINH (安培定律 ) （ 3-6） 磁路欧姆定律 mRF（ 3-7） 式中 F为磁动力，mR为磁阻， sRm 1磁路克稀荷夫定律（克氏定律）： INHL （ 3-8） 当有气隙时： gGHLg , 气隙磁场强度0BH g 。上式中 g为气隙长度，gH为气隙磁场强度。 麦克斯韦方程： SBF 2 （ 3-9） 3.4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承的等效磁路分析 永磁偏置径向轴向磁轴承是由永磁铁提供偏置磁场，由控制线圈来提供径向、轴向控制磁场的新型磁轴承，其磁路是由永久磁铁、电励磁磁铁、软磁材料和空气隙组成。永久磁铁是提供偏置磁场的磁势源（或磁通源），它直接影响到磁轴承的各静、动态特性。出于永久磁铁 本身磁特性之间的关系比较复杂，因此永磁偏置磁轴承的磁路分析比较复杂。 为了简化磁路计算，首先对永磁偏置径向 -轴向磁轴承磁路结构作如下假设 ： 采用径向充磁的永磁环体提供轴向和径向偏置磁通，只考虑永磁体两端面漏磁，即将整个磁路系统看作由一个漏磁磁阻与有效磁路系统的并联系统； 整个有效磁路系统只考虑工作气隙的磁阻，不考虑铁芯磁阻和转子磁阻； 忽略磁性材料的磁滞和涡流，不计边缘效应。 这样得到径向 -轴向磁轴承等效磁 路图如图 2-6 所示。 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXIX 图 3-6 径向 -轴向磁轴承等效磁路图 图 3-6 中 , Fm 是永磁体对外提供的磁动势， m是永磁体发出的总磁通， s 是总的漏磁通，漏磁导是 Gs，两个轴向气隙的磁导分别是 Gz1 和 Gz2， Nz是轴向控制线圈的匝数，流过电流 iz，径向 4 个气隙磁导分别是 Gx1， Gx2， Gy1， Gy2； Nxy 是径向控制线圈匝数，流过电流 ix 和 iy。 设 Zg 是转子处于平衡位置时轴向气隙长度，xyg是径 向气隙长度，本文中取 Zg =xyg=0g， x， y 是转子的径向偏移量， z 是转子的轴向偏移量，0是空气的磁导率， ZS 是轴向磁极截面积，xyS是径向各磁极截面积，则得到各气隙处磁导： ygSGxgSGzgSGxyxyyxyxyxZZZ010101ygSGxgSGzgSGxyxyyxyxyxzzz020202（ 3-10） 如果转子处于平衡位置，此时 3 个自由度的偏移量为 0，即： x = y = z = 0, 则从式 (3-10)可以得到： 01201 2 1 2zzzzxyx x y y x yxySGGgSG G G G Gg （ 3-11） 根据磁路的克希荷夫定律： 0F 和 0i，列出磁路的磁动势、磁通的平衡方程式，求解出各支路中的磁通如下： 殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制 XXX 1 2 2 1 2111 2 2 1 1221 2 2 1 2112 ( ) ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( 2 ) m