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无轴承电机的结构与悬浮控制设计
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3619 无轴承电机的结构与悬浮控制设计,3619,无轴承电机的结构与悬浮控制设计,轴承,电机,结构,悬浮,控制,设计
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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 目录第一章 绪论11.1 无轴承电机的研究意义与现状11.2论文的提出及论文的内容安排4第二章 机械结构的设计62.1 引言62.2 无轴承电机的系统设计62.3无轴承电机的总体结构设计82.4 无轴承电机主要零部件的结构设计92.5 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173.1 引言173.2 磁轴承的组成183.3 磁轴承的基本工作原理193.4 永磁偏置轴向径向磁轴承的建模233.5 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 11 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11 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与径向悬浮力绕组产生磁场极对数的关系为: =，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，表示材料的强度，查阅资料可知，硅钢片的强度为，从而可以确定转子的最大直径。（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。（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。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（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，
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