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论文机电一体化本科论文设计 无轴承 电机(定稿) 抚顺职业技术学院毕业设计（论文）题目无轴承电机院部抚顺职业技术学院专业机电一体化学号0901010212学生姓名孙超指导教师王红艳职称二OO年月日摘要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。 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电机轴向长度可以设计得较短，临界转速可以较高，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；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。 2.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。 2.2无轴承电机的系统设计在设计无轴承电机的结构时，考虑润滑油路，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。 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的确定考虑要提高其承载能力、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。 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的确定主轴设计时，考虑la的最佳值，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。 100图2-1无轴承电机的总体结构示意图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磁悬浮轴承的选择考虑到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。 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比普通磁悬浮轴承多加了一个永磁体来提供偏置磁场，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。 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。 图2-4传感器支架另外，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。 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78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IT6IT7,表面粗糙度要求aR0.80.2m?，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。 (B)内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。 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。 (A)外缸筒图2-82.5.5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，因此结构较为复杂，见图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。 3.磁悬浮轴承的工作原理及数学建模3.1引言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）。 （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。 3.2.3.1功率放大器在电磁轴承系统中，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。 3.2.3.1传感器从理论上看，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。 即:上间隙增大,磁通1p减少;下间隙减小,磁通2p增加。 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图3-4轴向磁轴承的磁路图图3-5径向磁轴承的磁路图根据磁场吸力与磁通的关系可得ZPMZS0ZZSZF210211?=(2-1)ZPMZS0ZZSZF220222?=(2-2)式中Fz 1、Fz2分别为吸力盘左、右面受到的电磁吸力；z 1、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。 根据吸力公式(2-1)和(2-2)，要满足Fz2Fz1，使转子回到参考位置的条件为221PMZPMZZEM?(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mH70104?=?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0?BHg=。 上式中g为气隙长度，gH为气隙磁场强度。 麦克斯韦方程?SBF2=（3-9）3.4.2永磁偏置径向轴向磁轴承的等效磁路分析为了简化磁路计算，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。 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ygSGxgSGzgSGxyxyyxyxyxZZZ?=?=?=010101?ygSGxgSGzgSGxyxyyxyxyxzzz+=+=+=020202?（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01xx12zzzzxyxxyyxyxySGGgSGGGGGg?=（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1221211122112212212112()() (2)()() (2)()() (2)mzz zzzxy yyyxy xzxyxgxmzz zzzxyyyyxyxzxyxgxmzzzzzxy xxxxy yzyxygymzzzyF GN i GGN i GGN i GGGGGF GN i GGN i GGN i GGGGGFGNi GGN i GGN i GGGGGFGNi?+=?+=?+=?=12211221212112121122()() (2)()()() (2)()()() (2)zzxyxxxxyyzyxgymxyxy xxxxy yyyz zxzyzgzmxyxyxxxxyyyyzzxzyzgzGGN iGGNiGGGGGF GGNiGGNiGGNiGGGGGFGGNiGGNiGGNiGGGGG?+?+?+=+?+?+=（3-12）式中121212;xxxyyyzzzgxyzGGGGGGGGGGGGG=+=+=+=+。 3.4.3径向轴向磁轴承的吸力方程现假设在3个方向上分别受到3个沿着坐标轴正方向的外扰力，使得在3个方向上的偏移量分别为x,y和z,此时在沿3个坐标轴负方向的合力为2x2x2102y2y2102z2z2102?2?2?xxyyxyzzFSFSFS?=?=?=（2-13）由式（3-13）可知，3个自由度的悬浮力就是偏差位置（x,y,z）和电流（zyxIII,）的非线性函数。 将式（3-13）进行线性化处理得yixyyixixyxizizziiKyKFiKxKFiKzKFxyxyxyxyzz+（3-14）式中22z022z20224?28?+?+?=?+=xyzxyzxyxyzzzmzzixyzxyzzmzzgSSggSgSggFNSKgSSgggFSKz zK称为轴向位移刚度，ziK为轴向电流刚度。 ()(S)F()22z2xy2xy022z2xy3xy22xy2xy2z205zxyxyzxyzzxymizxyxyzzxyxyzmxyxygSgSgSggSNKgSgSgSggSgSNgSFSKxy+?=+=?xyK称为径向位移刚度，xyiK称为径向电流刚度。 式（3-14）就是永磁偏置径向轴向磁轴承的悬浮力模型，作为后章设计控制器的基础。 3.4.4径向轴向磁轴承在平衡位置的承载能力在平衡位置附近要使承载力最大，表达式(3-10)中分子要为最大值，使各气隙磁通相叠加的一边磁感应强度达到最大值maxB，减少的一边达到最小值0，此时混合磁轴承的承载能力最大。 maxB通常取软磁材料的饱和磁感应强度SB，这样得1112220xyzxySxyzSzB SBS=（3-15）联解式（3-11）、（3-12）和（3-15）得002zxym?SSSFBg=（3-16）根据式（3-13）、（3-15）和（3-16）得到混合磁轴承3个自由度上的最大承载力为2S2?0maxmaxxxS2?0maxxx?22?2xymxyxyzmzzB SFSFFgBSFSFg=（3-17）3.4.5径向轴向混合磁轴承参数设计3.4.5.1气隙处磁感应强度的设计当转子处在空载平衡位置时，转子各气隙处的磁感应强度相等，等于永久磁铁提供的偏置磁感应强度0B。 由径向-轴向混合磁轴承永磁磁路的基本方程可得0002m?FBg=（3-18）比较式(3-16)在承载力最大时的表达式，得到02SBB=（3-19）一般硅铁材料的饱和磁感应强度SB=1.5T，因此设计时常取SB=0.60.8T。 3.4.5.2磁极面积的计算及气隙长度的选取根据式(3-16)和式(3-17)，选定径向或轴向的最大承载力，可以求得磁极的面积max2SB022xxyzxyFSSS?=或max2SB022zzzxyFSSS?=（3-20）根据最大承载力条件（3-15），可以得到电磁铁所需的安匝数00SxmymzmB gNiNiNi?=（3-21）在工程上，一般取0g=0.151.00mm，转子的直径小时0g相对取小值。 本文系统取0.5mm。 电磁轴承启浮时，单边气隙大于理想工作气隙，若设磁轴承的转子与辅助轴承的半径间隙为fX，则启浮时有下面关系成立fX=0.50g1g=0g+0.50g=1.50g2g=0g-0.50g=0.50g又由公式()21ggsstgRNI+=以及SgRg9?=可得0000012?32?3?gBSgSBSgSBNISSSst=?=（3-22）上式即为求取启浮安匝数的计算式。 3.4.5.3永磁材料参数设计永磁体对外提供的磁动势mF与所选的永久磁铁去磁曲线有关。 为了设计结构紧凑，重量轻的磁轴承，通常选取高饱和磁感应强度的永久磁铁。 当所选的材料为铁氧体或稀土钴时，则去磁曲线接近于直线满足2()cmrmcmcFFFFF=?（3-23）式中r为永久磁铁的剩余磁通；m为永久磁铁外部磁路磁通；cF为永久磁铁的矫顽磁势；又根据混合磁轴承的永磁磁路的基本方程02mzSzBSB S=?=（3-24）在知道软磁材料的饱和磁感应强度SB后，再依据式(3-20)计算出的zS，根据式(3-24)可以算出永磁体的外部磁路磁通m，再由式(3-21)计算出mF值。 最后由式(3-22)计算出永磁体的矫顽磁势cF和永久磁铁的剩余磁通r。 知道cF和r后再由下面两式可以确定永磁体的几何尺寸。 cmcrmrfFLHSB=（3-24）式中f为磁阻系数的取值范围为1.11.5；为漏磁系数取值范围为210；r B为永磁体的剩余磁感应强度；cH为永磁体的矫顽力；mL为永磁体的长度；mS为永磁体的磁路断面积。 3.4.5.4电磁铁的设计考虑电路设计的难易程度，最终选择的是直流电磁铁。 值得说明的是，本章所做的的各种分析都是在假定选择了直流电磁铁这一前提下进行的。 （1）线径可由下式确定04Idj=(3-25)其中j为电流密度，根据电机的设计经验取j=482A mm （2）磁极弧长及叠片厚度的计算为了简便起见，采用等分的方法，每个磁极所占的角度取为32=?，则每个磁极的弧长为()2D，而叠片厚度（即磁轴承的轴向长度）为磁极面积与弧长之比，计算如下10.5lD=(3-26)1bS l=(3-27) （3）窗口面积的计算窗口面积的计算可由下式求得2124w tcSkNd=(3-28)式中tc k为填充系数，一般为0.8。 3.4.5.5线圈的电阻和消耗的功率sP线圈的电阻R可通过公式比较精确的计算出来()0011eeeRL S?=+=(3-29)式中eL为导线的总长度；1S为导线的截面积；e为温度系数；()01234.51C=?。 线圈消耗的功率20sPI R=(3-30)3.4.5.6辅助轴承的确定一般采用径向深沟球轴承，在正常运转时，辅助轴承是不动的，它与转子之间的工作间隙必须小于转子与定子的气隙。 一般取0.50g。 3.5混合磁轴承的具体参数设计对所设计的混合电磁轴承的要求如下轴向最大承载能力转子直径（外径）mm在制造时，径向磁轴承的定子可以做成像感应电动机的定子那样，具有许多齿槽的形式。 为了增加电磁铁的输出力，采用如图2-7所示的铁芯，在齿槽处卷满线圈图3-7径向磁轴承结构示意图由于设计的磁轴承为4对磁极，且均匀分布，所以有?5.22=，此外取?32=，取mmg5.00=。 3.5.1选取永磁材料本课题设计磁轴承所选用的永磁体材料是钕铁硼，此材料的去磁曲线呈直线，因此是比较理想的磁性材料，其饱和磁感应强度SB=0.8T。 3.5.2确定工作气隙磁感应强度平衡位置处，上、下气隙的磁感应强度相等，由式（3-19）可知TBBS4.020=3.5.3磁极面积的计算由式（3-20）得23272S0max1039.08.010010422mBFSZz?=?23310195.021039.02mSSzxy?=3.5.4求定子内径mmgdD415.024020=+=+=3.5.5求磁极弧长及叠片厚度由式（3-26）得mmDl45.111803224121=取mml121=由式（3-27）得mmlSbxy59.141=取mmb15=由此可得磁悬浮轴承定子由43片厚为0.35mm的硅钢片叠成。 3.5.6安匝数的计算由式（3-21）得00SxmymzmB gNiNiNi?=47.318104107?5.08.03=?考虑到电流允许瞬时过载，取安匝数320=NI安匝3.5.7匝数与电流的分配取AI2=，则线圈匝数为1602320=N（匝）3.5.8线径由式（3-25）j=6.4()mmA mmd631.04.624=取标称直径0.63mm。 3.5.9窗口面积的求取(.0)232210124.08.02631602mKdNStcw?=3.5.10永久磁铁参数计算由式（3-24）得3310312.01039.08.0?=zSmSB由式（3-18）得47.318104107?5.08.0300=?gBFSm由式（3-23）得94.6362=mcFF310624.02?=?F=mmmrFF最后，由式（3-24）求得永久磁铁的几何尺寸，算后取永久磁铁内径68mm，径向厚度3.1mm。 根据以上参数的设计可得到永磁径向轴向磁轴承的具体结构。 （见零件图）43结论为了减小磁轴承电机的轴向长度、提高临界转速、缩小系统体积和提高系统的可靠性，实现磁轴承的集成化、小型化，本文针对无轴承电机的一种新型的永磁偏置径向轴向磁轴承进行了初步的研究，研究工作主要包括以下几个方面 （1）结合磁轴承系统与电机系统结构，总体描绘出无轴承电机的总体结构草图，继而从总体结构入手，设计无轴承电动机的主要零件结构，并附带介绍了一些加工工艺。 （2）基于前一章设计的磁轴承结构，阐述了磁轴承的基本工作原理，有针对性的研究了一种新型永磁偏置径向轴向磁轴承的工作机理；采用等效磁路法建立了该磁轴承的数学模型，并通过该磁轴承的承载力公式及相关电机设计经验公式推得设计该磁轴承结构参数设计方案，且以具体实例演示了该磁轴承参数设计的一般计算过程。 本次设计还存在许多不足之处，今后还需要研究的工作有44 （1）对于无轴承电机和永磁偏置径向轴向磁轴承的结构参数设计中考虑不够全面，对于其整体结构参数的优化设计是需要更进一步研究的内容。