毕业设计论文（说明书）设计课题： 无轴承电机的结构设计目录第一章绪论 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 6 2.1引言2.2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1 — 1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：①电机的转速和输出功率难以进一步提高；②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轴向 徐向 径向磁轴承磁轴承 电机磁轴承lilbHlLLibillJiijhiiiJiiiiiiihiLmIHI lull iI r>i-iiiriiiiii I=" I I I I M I川 ill'll!：imir u.jriMHI 'dN'Inhlll1!图1 — 1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p与径向悬浮力绕组产生磁场极对数p的关系为：p = p 1,悬浮力绕组产 1 2 1 2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。
径向二自由度二自由度磁轴承无轴承电机无轴承电机IRIIIIDINIIllllll川川仙lilialllilllllllllHIIIIIIiiiiiiiiiiiiiriiiiihi仙m川nfm电机；Hail款电机的 承的电机系〔润滑、无机械摩擦和磨损等优点夕M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：① 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②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 ① 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；② 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：b = PXV 2 ,其中P表示材料的密度，硅钢片的密度为7800kgjm3，b表示材料的强度，查阅资料可知，硅钢片的强度为 310x 106 Nm3，从而可以确定转子的最大直径d < 0.063m2） 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0.002m3） 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。