无轴承电机的结构设计说明

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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机电专 业学生学号指导教师王 起讫日期2011年5月一2011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约着电机向更高速度和更大功率

2、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，涉与面很广。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，敬请老师与同学谅解并予以指正。 目录第一章11.1 无轴承电机的研究意义与现状11、无轴承电机的

3、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 82、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 101、电磁轴承的定子与转子 102、传感器支架与其基准环 103、缸筒 124、转轴 13第三章磁悬浮轴承的工作原理 143.1 引言 143

4、.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 151 / 263、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 21第一章11 无轴承电机的研究意义与现状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

5、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： 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 机的使用围和广泛应用。轴向 轮向径向磁轴承磁轴承 电机磁轴承g E卡常陰壽静l：l Illi Hil

6、lII I I iHnHI1:I II ll.l H|11 H 1、|!；|IJliillililUli I IHIHIIII l!llill iPillililJdhlllli l iL.MMilQ U liStSF SiPiM .1 III i：lI! lillllF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 Moto)，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

7、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1 2为：p = p 1，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 1 2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与解耦方 法，独立扌空制电机的旋转和转子的稳定悬浮，实现电机的无轴承化。二自曲度磁轴承无轴承电4JLiiiHiniMiiHi.nlHHEBU01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围， 与磁轴承支撑的高速电机相比

8、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，径向悬浮力扌

9、空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外科技工作者的高度重视。2、无轴承电机的研究现状(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

10、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

11、年国家自然科学基金资助了无轴承 电机的研究工作，航空航天大学、理工大学和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。目前国已发表了多篇综述与理论仿真研究 的文章，对无轴承电机的研究成果还未进行公开报道。(2) 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。

12、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

13、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

14、，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) 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、无需润滑与无磨损等， 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、飞轮储能装置与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与支撑装置，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

15、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、机器人与航空航天等领域会对国民经济产生巨大的影响。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： G = pxv2，其中p表示材料的密度，硅钢片的密度为7800kgm3，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 0.063m o