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1、毕业设计报告（论文） 课题名称 无轴承电机的结构设计 专 业 机电 学生姓名 学号 指导教师 王 起讫日期 2011 年 5 月-2011 年 11 月 设计地点 摘 要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。在我们日常生活中精密数控机床、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
2、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。经过这次毕业设计，我的收获不小。由于本次设计的无轴承电机是较先进的机电一体化产品，运用到控制理论、电磁学理论、电子理论、机械设计等许多方面的知识，涉及面很广。因此，通过一次设计，不仅巩固了本专业的基础知识，并且学到了许多有关电子信息方面的知识，兼培养了自己的综合设计能力。由于本人水平有限，时间仓促，文中难免有错误和不足之处，敬请老师及同学谅解并予以指正。1目 录第一章 .11.1 无轴承电机的研究意义
3、与现状 .11、无轴承电机的研究意义 .12、无轴承电机的研究现状 .32.1 无轴承电机的发展状况 .32.2 无轴承电机的关键技术的研究现状 .32.3 无轴承电机的应用现状 .4第二章 机械结构的设计 .52.1 引言 .52.2 无轴承电机的系统设计 .51、转轴部件主要结构尺寸的设计 .62、主轴上零件的布置 .62.3 无轴承电机的总体结构设计.72.4 无轴承电机主要零部件的结构设计 .71、无轴承电机磁悬浮轴承总体结构设计 .72、永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计 .82.5 无轴承电机的主要零件结构设计 .91、电磁轴承的定子与转子 .92、传感器支架及其基准环 .103
4、、缸筒 .114、转轴 .13第三章 磁悬浮轴承的工作原理 .143.1 引言 .143.2 磁轴承的组成 .151、磁轴承的机械系统 .152、磁轴承的偏磁回路 .153、磁轴承的控制回路 .163.1 控制器 .163.2 功率放大器 .163.3 传感器 .163.3 磁轴承的基本工作原理 .171、永磁偏置径向轴向磁轴承的基本结构和工作原理.18第四章 结论 .21致谢 .22第一章1.1 无轴承电机的研究意义与现状1 1、无轴承电机的研究意义、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
5、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
6、，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2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: =1p2p1p2p，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，1通过探索驱动电机转
7、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
8、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3重视。2 2、无轴承电机的研究现状、无轴承电机的研究现状（1）无
9、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
10、，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
11、。（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4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
