中北大学-无轴承电机的结构设计综述

1、毕业设计说明书无轴承电机的结构设计班 级:姓 名:学 院:专 业:指导教师： 学号：软件学院软件工程郑军郭平英2014年6月无轴承电机的结构设计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

2、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。关键词：无轴承电机，磁悬浮轴承，机械系统，支撑装置，承载能力Structure design of bearingless motorsAbstractBearingless motor is a typical mechatronic products

3、, because it has many excellent properties and the application prospect in many industrial fields, the bearing motor technology is paid much more attention by domestic and foreign experts, scholars. But the study on this technology in our country is still not mature, in view of this situation, we ch

4、oose this topic in graduation design. In view of the merits of the bearingless motor not only has the magnetic bearing, and other than with the power of the motor and supporting device, small volume, light weight, low energy consumption, has very important significance for improving the speed and pe

5、rformance of ultra high speed rotating machinery, this paper is based on these questions. For a bearing motor typically, it consists of three major parts of machinery, detection, control, and the control system is the key of the whole system, and the reasonable mechanical structure design is to ensu

6、re the premise, bearing capacity and stable and reliable operation. So, this paper mainly carries on the analysis and design of Mechanical system and control system.The design of bearingless motor of permanent magnet biased radial axial magnetic bearingless body structure (mechanical parts) and cont

7、rol system as the main research object, designs the structure parameters and the reasonable control system, and carries on the brief analysis on the stability of the systemKeywords: Bearingless motor, Magnetic bearing, Mechanical system, Support device, Carrying capacity中北大学2014届毕业设计说明书目录1 引言12无轴承电机

8、概述22.1 无轴承电机的发展状况 22.2 无轴承电机的关键技术的研究现状 22.3 无轴承电机的应用现状 32.4 无轴承电机的特点及应用 32.5 无轴承电机的研究和应用前景 43无轴承电机的系统机械设计 63.1 转轴部件主要结构尺寸的设计 63.2 主轴上零件的布置63.3 无轴承电机的主要机构设计 73.4 无轴承电机主要零部件的结构设计 73.4.1 无轴承电机磁悬浮轴承总体结构设计 73.4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计 83.5 无轴承电机的主要零件结构设计 93.5.1 电磁轴承的定子与转子 93.5.2 传感器支架及其基准环103.5.3 缸筒113.5.4

9、转轴123.6 电磁铁的设计123.6.1 线圈的电阻和消耗的功率 133.6.2 辅助轴承的确定143.7 混合磁轴承的具体参数设计 143.7.1 选取永磁材料 153.7.2 确定工作气隙磁感应强度 153.7.3 磁极面积的计算153.7.4 求定子内径153.7.5 磁极面积的计算153.7.6 安匝数的计算153.7.7 匝数与电流的分配 163.7.8 线径163.7.9 窗口面积的求取 163.7.10 永久磁铁参数计算 164磁悬浮轴承的工作原理174.1 磁轴承的组成184.1.1 磁轴承的机械系统184.1.2 磁轴承的偏磁回路184.1.3 磁轴承的控制回路184.2

10、磁轴承的基本工作原理19204.2.1 永磁偏置径向轴向磁轴承的基本结构和工作原理 .5毕业设计小结23参考文献24致谢26第n页共n页中北大学2014届毕业设计说明书1引言所谓无轴承电机(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。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

11、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。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1 o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。第5

12、页共26页2无轴承电机概述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(InternalPermanet Magne进行了研究，具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

13、，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80000rpm无轴承片状电机2。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。2.2 无

14、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

15、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

16、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 3。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

17、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

18、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402.4 无轴承电机的特点及应用无轴承电机是根据磁轴承与电机产生电磁力原理的相似性，把磁轴承中产生径向力的绕组安装在电机定子上，通过解耦控制实现对电机转矩和径向悬浮力的独立控制。无 轴承电机具有磁悬浮磁轴承所有优点，需要免维修、长寿命运行，无菌、无污染以及有 毒有害液体或气体的传输是无轴承电机典型应用场合。目前得到了如下应用。在蚀刻、制板、清洗或抛光等加工过程中需用腐蚀性化学液体，产品质量很大程度 上取决于化学液体质量，液体输送泵是关键的一个环节。像酸液、有机溶剂

19、等腐蚀的化 学液体，泵必须无污染可靠传输，并且泵要具有抗腐蚀和耐一定温度的要求。传统气动 和薄片泵寿命短，大多数耐温最高只有 100c左右，运动阀和薄片仍然会产生少量的微 粒，液体传输也存在着不均匀的脉动，影响了工艺处理质量。采用无轴承电机密封泵能 解决传统传输中存在的缺陷，大大满足精密半导体器件生产工艺要求。目前，功率为 300W的无轴承电机密封泵已经在半导体工业得到应用。化工领域放射性环境或高温辐 射环境等恶劣条件下，用无轴承电机密封泵进行废料处理，能解决机械轴承磨损和维修 的难题。在化学工业，对有效密封传输和生产系统的需求进一步提高，传统的转轴密封 的密封泵，机械轴承需要润滑，据报道80

20、%的故障是由于密封失效引起的，20%是轴承、 连接及其它故障。为了安全生产，免遭环境污染，使用无轴承电机密封泵是最佳选择。目前，苏黎世联邦工学院和 Sulzer泵公司合作完成了功率为30kW的无轴承密封泵样机 的研制和测试工作，进入了试运行阶段。心脏是生命的永动机，一旦发生故障难以修复。 利用人工心脏部分或全部替代心脏功能成为心脏病患者生命延续的福音。利用机械轴承的血泵会产生摩擦和发热，使血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命。 苏黎世联邦工学院和Levitronix公司研制成功的无轴承永磁电机驱动的血泵和可以移植 到人体内的心脏左心室辅助装置已经在临床中应用 5。2.5 无轴承电

21、机的研究和应用前景在费拉里斯和特斯拉发明多相交流系统后，19世纪80年代中期，多沃罗沃尔斯基发 明了三相异步电机，异步电机无需电刷和换向器，但长期高速运行，轴承维护保养仍是 难题。二次世界大战后，直流磁轴承技术的发展，使得电机和传动系统无接触运行成为 可能，但这种传动系统造价很高，因为铁磁性物体不可能在一个恒定磁场中稳定悬浮。 主动磁轴承的发明，解决了这个难题，但用主动磁轴承支承刚性转子要在5个自由度上施加控制力，磁轴承体积大、结构复杂和造价高。20世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需要用超高速离心分离方法生产浓缩铀，磁轴承能满足高速电机支撑要求，于是 在欧洲开始了研究各种磁轴承计划6。19

22、7/，赫尔曼申请了无轴承电机专利，专利中 提出了电机绕组极对数和磁轴承绕组极随着磁性材料磁性能进一步提高，为永磁同步电机奠定了有力竞争地位。同时，随着双极晶体管的应用，以及和柏林格尔提出的无损开 关电路结合，能够制造出满足无轴承电机要求的新一代高性能功率放大器。大约在 1985 年，具有快速和负载能力的功率开关器件和数字信号处理器的出现，使得已经提出20多中北大学2014届毕业设计说明书年的交流电机矢量控制技术才得以实际应用，这样解决了无轴承电机数字控制的难题。 瑞士苏黎世联邦工学院的比克尔在这些科技进步的基础上，于20世纪80年代后期才首次制造出无轴承电机。对数的关系为±1。用赫尔

23、曼提出的方案，在那个年代是不可能制造出无轴承电机的。我国开展磁悬浮列车和磁轴承研究多年，自20世纪90年代后期，江苏大学、沈阳工 业大学和南京航空航天大学等先后得到了国家自然科学基金资助，开展了无轴承电机研究工作，在理论和实验方面取得了一些成绩。江苏大学电气信息工程学院朱焜秋教授与 瑞士苏黎世联邦工学院J.Hugel教授等共同开展了功率为4kW的无轴承永磁同步电机研 究和应用工作，攻克了传感器检测、功率损耗等关键技术难题，成功研制出世界上第一 台功率为4kW的无轴承永磁薄片电机，预计2004#将在化工工业、半导体工业等得到应 用。在美国、日本等国家，无轴承电机在生命科学、制药行业、化工行业、半

24、导体工业、 食品工业等领域得到了应用。随着我国经济进一步发展，在很多特殊的电气传动领域必 将改变传统的传动和传输方式，对提高产品质量、降低成本、减少污染将会起到重要作 用。因此，在我国无轴承电机具有很大潜在应用市场，积极开展无轴承电机的研究和应 用具有现实和深远意义7。第6页共26页中北大学2014届毕业设计说明书3无轴承电机的系统机械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

25、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 8。3.1 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

26、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a/l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V3l o(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。3.2 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

27、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9。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。3.3 无轴承电机的主要机构设计无轴承电机的基本组成如图3.1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。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

28、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

29、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。3.4 无轴承电机主要零部件的结构设计3.4.1 无轴承电机磁悬浮轴承总体结构设计磁悬浮轴承的选择磁悬浮轴承种类很多，接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

30、 Magnetic Bearing,简称HMB )三类10。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。3.4.2 永磁偏置

31、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3.1所示1.轴向定子5.转子硅钢片6.转轴7.径向定子8.定位铝圈 图3.1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

32、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。3.5 无轴承电机的主要零件结构设计3.5.1 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3.2所示。图3.2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

33、(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，同时也减少加工第11页共26页中北大学2014届毕业设计说明书工序。3.5.2 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

34、结构如图 3.3所示。图3.3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。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 3.4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，一般采用精链加工。其次其外圆表面加工精度要达到I

35、T6IT7,表面粗糙度要求R0.80.2Rm, 一般采用精细车或者磨削加工11o3.5.3 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 3.5。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

36、误差。 具体见零件图。图3.5(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120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。图3.5(B)内缸筒3.5.4 转轴转轴承当着电磁轴承转子、电机转子、基准环等零件

37、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3.6所示。图3.6转轴结构3.6 电磁铁的设计从本质上来看，电磁铁是一种把电能转换成机械能的电磁元件，在高频电主轴系统中， 电磁铁主要提供悬浮转子所需的电磁力.设计电磁铁就是在规定的技术条件基础上，确定 电磁铁有关的结构参数，其中包括铁心的几何尺寸、线圈的尺寸、匝数和线径等。保证电磁铁能够稳定可靠的工作。按照励磁电流的特点，可分为交流和直流电磁铁。当电磁铁 中通以正弦交流电时，磁路中的磁通和磁感应强度也是时间的正弦函数。交变磁场会在 铁芯中产生损耗，使铁芯发热，因此，交流电磁铁的铁芯是用硅钢片叠成的。

38、一般来说, 直流电磁铁的励磁电流大小和方向不随时间改变。由于没有铁芯损耗，所以，它的铁芯 可以用整块的铸钢、软钢制成。直流电磁铁的励磁线圈在外加电压一定时，若不考虑过 渡过程，稳态的线圈电流的大小不变，因而磁势也不会发生变化。当转子处于不同位置 时，由于间隙变小，磁阻增大，电磁吸力也增大。基于上述特点和考虑电路设计的难易 程度，最终选择的是直流电磁铁。同时，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13 o(1)线径可由下式确定(3-1)其中j为电流密度，根据电机的设计经验取 j=48Amm2(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

39、极所占的角度取为日=32,则每个磁极的 弧长为ex(D/2 ),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：11 =0.5D1(3-2)b = S,I1(3-3)(3)窗口面积的计算窗口面积的计算可由下式求得一二 2&ktc=2Nd2(3-4)4式中h为填充系数，一般为0.8。3.6.1 线圈的电阻和消耗的功率线圈的电阻R可通过公式比较精确的计算出来第15页共26页中北大学2014届毕业设计说明书(3-5)式中Le为导线的总长度;S为导线的截面积；Pe为温度系数；«0 =1/234.5(於C .线圈消耗的功率ps = i2 R(3-6)3.6.2 辅助轴承

40、的确定辅助轴承是在断电或电路发生故障时，起保护作用，工作时它不与主轴接触，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 0.5g。3.7混合磁轴承的具体参数设计按照前述理论分析，以磁悬浮电动机的轴承为例来说明混合磁轴承的结构参数设计 方法。对所设计的混合电磁轴承的要求如下：轴向最大承载能力：F = 6 0 0 N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 3.7所示的铁芯，在齿槽处卷满线圈由于设计的磁轴承为 4对磁极，且均匀分布，所以有 a =22.5此外

41、取日=32',取 g0 = 0.5mm。3.7.1 选取永磁材料在设计永磁电磁轴承时，永磁材料内部磁动势参数Fm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。 本课题设计磁轴承所选用的永磁体材料是被铁硼，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 BS=0.8T。3.7.2 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，可知：BsB0S -0.4T23.7.3 磁极面积的计算由式（3-1）得：Sz -2Fzmax0bS2 4二 10 1 1000.82= 0.39 10J3m2xySz20.

42、39 1042= 0.195 10飞m2第28页共26页3.7.4 求定子内径D =d 2go = 40 2 0.5 = 41mm3.7.5 磁极面积的计算1i22180：11.45mm取 l1 =12mmb = Sxy l1 = 14.59mmM b = 15mm由此可得磁悬浮轴承定子由43片厚为0.35mm的硅钢片叠成3.7.6 安匝数的计算由式（3-2）得:Nixm=Ni ymNi0.8 0.5 10，4 二 10= 318.47考虑到电流允许瞬时过载，取安匝数 NI =320安匝3.7.7匝数与电流的分配N =320, 2 =1603.7.8线径由式（3-3） j=6.4（A/mm）d

43、 _ 4 2一，6.4二=0.631mm取标称直径0.63mm 。3.7.9窗口面积的求取Sw 二22Nd2 160黑n x 063）=3 2=0.124 10 m22Ktc2 0.83.7.10永久磁铁参数计算由式（3-4）得：:，m =BsSz =0.8 0.39 10=0.312 10，由式（3-5）得:B$g0"V。8 0.5 10“4 二 10= 318.47由式（3-6）得:Fc =2Fm =636.94 cF 一.m c =2：% =0.624 10，F - F c m由式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3.1 mm 。径向磁帼承轴向磁辆承

44、电机 径向僦轴承lliiiiiiiiHHmiitl 而i出而川iiii niHinniiiHiiBiimo4OINV 20INVUI川川刖 miNllWHnMi ih imiii3<PINV4WINV4磁悬浮轴承的工作原理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，具

45、结构简图 如图4.1 (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14o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 4.1 (B)。从图中可见新的设计大大缩短 了

46、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。(A)传统磁轴承系统轴向径向横轴承无轴承电机30>INV3GINV3<Z>INV(B)新型五自由度磁轴承图4.1两种磁轴承系统的比较4.1 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。4.1.1 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

47、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

48、轴承电机类似。4.1.2 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。4.1.3 磁轴承的控制回路其性能与系统的稳定性及各项技术指标控制回路是电磁轴承系统的一个重要环节,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。4.2 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 4.2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一恸率放

49、大品图4.2永磁电磁轴承的工作原理图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 Gp1减少；下间隙减小，磁通 6p2增加。由于pi cGp2,故由磁场吸力与磁通的关系可得转子受到的吸力变为F1<F2。此时传感器检pp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

50、电磁磁 通中该磁通在转子上方气隙1-1处与永磁磁通中惧叠加时，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6 Pl变为Gp1+9k；磁通9k在转子下方气隙2-2处与永磁磁通中2叠加时，由于永磁磁通与电磁通流向相反，故使气隙4.3 处的总磁通减少，由原来的 中2变为中2-中卜。当中k （p2 -中惧）/2两气隙处产 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1504.2.1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4.3,由轴向定子、轴向控制线圈、径向定子、径向控制

51、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4.3永磁偏置径向一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被铁硼制成。当径向-轴向都稳定悬浮时，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，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

52、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：(1)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；(2)在气隙长度范围内，磁悬浮力的刚度系数更接近于常数；(3)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

53、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4.4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， Gzem 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4.5是径向磁 轴承的磁路图，图中标明了

54、 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 4-5,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Gpmz2减少，右面的

55、气隙减少，使永磁体产生的磁通PMZ1增加。根据磁场吸力与磁通的关系可得：(4-1)(4-2)Z 1PMZ 10 S Z0 S Z220 oSzPMZ 2oSz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；Sz为轴向磁极的面积； 认为空气的磁导率。在未产生控制磁通Gzem之前，由于Gpmz2<Gpmz1 ,故Fz2<Fz1。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 Szem

56、，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Gpmz2叠加，使气隙Z2处总的磁通增加，即z2=GpMZ2+ZEM ； 励磁磁通6zem在右面气隙Z2处，由于与永磁磁通6pmz1的流向相反，故在气隙Z1处的 总磁通减少为z1 = GpMZ1-ZEM 。根据吸力公式(4-1)和(4-2),要满足Fz2Fz1,使转子回到参考位置的条件为:(4-3) 一 PMZ 1PMZ 2ZEM 一2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。5毕业设计小结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