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轴承
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控制
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设计
- 资源描述：
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无轴承电机的结构与悬浮控制的设计,轴承,电机,机电,结构,悬浮,控制,节制,设计
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殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制-6-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：，其中表示材料的密度，硅钢片的密度为，表23780mkg示材料的强度，查阅资料可知，硅钢片的强度为，从而可以确613N定转子的最大直径。md063.（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殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制-7-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）悬伸量和跨距的确定al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，不仅要考虑的最佳值，而且要考虑给控制系统带来的la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。因此对传殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制-8-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。10殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制-9-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。（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（ActiveMagneticBearing，简称AMB）、被动磁轴承（PassiveMagneticBearing，简称PMB）和混合磁轴承（HybridMagneticBearing，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，在结构殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制-10-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。殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制-11-（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。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殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制-12-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。殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制-13-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0.80.2，一般采用精细车或者磨削加工。aRm2.5.3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0.16，同轴度为8m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殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制-14-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。殷友峰无轴承电机的结构与悬浮控制
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