新型高性能無軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計-計算機(jī)畢業(yè)論文

畢業(yè)論文（設(shè)計） 題目無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 系部名稱07 級 計算機(jī)系 專業(yè) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院 吉林經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 1 內(nèi)容提要 為了減小磁軸承電機(jī)的軸向長度、提高臨界轉(zhuǎn)速、縮小系統(tǒng)體積和提高系統(tǒng)的 可靠性，實現(xiàn)磁軸承的集成化、小型化，本文針對無軸承電機(jī)的一種新型的永磁偏 置徑向軸向磁軸承進(jìn)行了初步的研究。 在我們?nèi)粘Ｉ钪芯軘?shù)控機(jī)床、渦輪分子泵、小型發(fā)電機(jī)或高速飛輪儲能等 裝備中需要用大功率的高速超高速電動機(jī)（以下簡稱為電機(jī)）來驅(qū)動。我們知道， 電機(jī)高速運轉(zhuǎn)對機(jī)械軸承振動沖擊大，機(jī)械軸承磨損快，大幅度縮短了軸承和電機(jī) 使用壽命，為此用機(jī)械軸承來支承高速電機(jī)嚴(yán)重制約著電機(jī)向更高速度和更大功率 方向發(fā)展。近 20 多年來發(fā)展起來的磁軸承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁場 力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間沒有機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承。 經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計，我的收獲不小。由于本次設(shè)計的無軸承電機(jī)是較先進(jìn)的機(jī) 電一體化產(chǎn)品，運用到控制理論、電磁學(xué)理論、電子理論、機(jī)械設(shè)計等許多方面的 知識，涉及面很廣。因此，通過一次設(shè)計，不僅鞏固了本專業(yè)的基礎(chǔ)知識，并且學(xué) 到了許多有關(guān)電子信息方面的知識，兼培養(yǎng)了自己的綜合設(shè)計能力。由于本人水平 有限，時間倉促，文中難免有錯誤和不足之處，敬請老師及同學(xué)諒解并予以指正。 2 目錄 第一章.4 1.1 無軸承電機(jī)的研究意義與現(xiàn)狀.4 1、無軸承電機(jī)的研究意義.4 2、無軸承電機(jī)的研究現(xiàn)狀.6 2.1 無軸承電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r.6 2.2 無軸承電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀.6 2.3 無軸承電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀.7 第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計.8 2.1 引言.8 2.2 無軸承電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計.9 1、轉(zhuǎn)軸部件主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計.9 2、主軸上零件的布置.10 2.3 無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計10 2.4 無軸承電機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計.11 1、無軸承電機(jī)磁懸浮軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計.11 2、永磁偏置徑向軸向磁軸承的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計.11 2.5 無軸承電機(jī)的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計.13 1、電磁軸承的定子與轉(zhuǎn)子.13 2、傳感器支架及其基準(zhǔn)環(huán).13 3、缸筒.15 4、轉(zhuǎn)軸.16 第三章磁懸浮軸承的工作原理.17 3.1 引言.17 3.2 磁軸承的組成.18 1、磁軸承的機(jī)械系統(tǒng).18 2、磁軸承的偏磁回路.18 3 3、磁軸承的控制回路.19 3.1 控制器.19 3.2 功率放大器.19 3.3 傳感器.19 3.3 磁軸承的基本工作原理.20 1、永磁偏置徑向軸向磁軸承的基本結(jié)構(gòu)和工作原理21 第四章結(jié)論.21 致謝.26 4 第一章第一章 1.1 無軸承電機(jī)的研究意義與現(xiàn)狀 1、無軸承電機(jī)的研究意義 一些精密數(shù)控機(jī)床、渦輪分子泵、小型發(fā)電機(jī)或高速飛輪儲能等裝備中需要用 大功率的高速超高速電動機(jī)（以下簡稱為電機(jī)）來驅(qū)動。我們知道，電機(jī)高速運轉(zhuǎn) 對機(jī)械軸承振動沖擊大，機(jī)械軸承磨損快，大幅度縮短了軸承和電機(jī)使用壽命，為 此用機(jī)械軸承來支承高速電機(jī)嚴(yán)重制約著電機(jī)向更高速度和更大功率方向發(fā)展。近 20 多年來發(fā)展起來的磁軸承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于 空間，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間沒有機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承。圖 11 是由磁 軸承支承的高速電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。磁軸承支承的電機(jī)雖然具有突出的優(yōu)點，但在不 同的應(yīng)用領(lǐng)域依然存在如下問題： 電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率難以進(jìn)一步提高； 磁軸承需要高性能的控制器、功率放大器和多個造價較高的精密位移傳感器等，使 磁軸承結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、體積較大和成本較高，大大制約了由磁軸承支承的高速電機(jī) 的使用范圍和廣泛應(yīng)用。 圖 11 磁軸承支撐的電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 所謂無軸承電機(jī)（Bearingless Motor or Self-bearing Motor） ，并不是說不 需要軸承來支承，而是不需單獨設(shè)計或使用專門的機(jī)械軸承、氣浮或液浮軸承。由 5 于磁軸承結(jié)構(gòu)與交流電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的相似性，把磁軸承中產(chǎn)生徑向懸浮力的繞組疊 加到電機(jī)的定子繞組上，構(gòu)成無軸承電機(jī)（二自由度見圖 1-2 ) ，保證電機(jī)定子等 效繞組產(chǎn)生的磁場極對數(shù) 1 p與徑向懸浮力繞組產(chǎn)生磁場極對數(shù) 2 p的關(guān)系為: 1 p= 2 p1，懸浮力繞組產(chǎn)生的磁場和電機(jī)定子繞組（或永磁體）產(chǎn)生的磁場合成一 個整體，通過探索驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)力和徑向懸浮力耦合情況以及解耦方法，獨 立控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，實現(xiàn)電機(jī)的無軸承化。 圖 1-2 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 無軸承電機(jī)一方面保持磁軸承支承的電機(jī)系統(tǒng)壽命長、無須潤滑、無機(jī)械摩擦 和磨損等優(yōu)點外，還有望突破更高轉(zhuǎn)速和大功率的限制，拓寬了高速電機(jī)的使用范 圍，與磁軸承支撐的高速電機(jī)相比具有下列優(yōu)點： 徑向懸浮力繞組疊加到電機(jī) 的定子繞組上，不占用額外的軸向空間。一方面，電機(jī)軸向長度可以設(shè)計得較短， 臨界轉(zhuǎn)速可以較高，電機(jī)轉(zhuǎn)速僅受材料強度的限制，這樣無軸承電機(jī)大大拓寬了高 速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在體積小、轉(zhuǎn)速高和壽命長的應(yīng)用領(lǐng)域，如要求無粉塵、 無潤滑、小體積環(huán)境工作的計算機(jī)硬盤驅(qū)動器、微型高速機(jī)床等；另一方面，在同 樣長度的電機(jī)轉(zhuǎn)軸情況下，輸出功率將比磁軸承支承的電機(jī)有大幅度提高。 結(jié) 構(gòu)更趨簡單，維修更為方便，特別是電能消耗減少。傳統(tǒng)的磁軸承需要靜態(tài)偏置電 流產(chǎn)生電磁力來維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，而無軸承電機(jī)不再需要。徑向懸浮力的產(chǎn)生是 基于電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的磁場，徑向懸浮力控制系統(tǒng)的功耗只有電機(jī)功耗的 2%，5%， 6 這些優(yōu)點特別適用于航空航天等高科技領(lǐng)域?；跓o軸承電機(jī)高品質(zhì)的性能，廣闊 的應(yīng)用前景，對提高機(jī)械工業(yè)制造裝備的水平，特別是提高航空航天器工作性能無 疑具有現(xiàn)實和深遠(yuǎn)意義，其研究工作越來越受到國內(nèi)外科技工作者的高度重視。 2、無軸承電機(jī)的研究現(xiàn)狀 （1）無軸承電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 將磁軸承繞組和電機(jī)定子繞組疊加在一起，實現(xiàn)電機(jī)和軸承一體化，這個概念 最初是由瑞士 R.Bosch 于 20 世紀(jì) 80 年代末提出來的， 在瑞士的 J.Bichsel 實現(xiàn) 了同步電機(jī)的無軸承技術(shù)之后，無軸承電機(jī)的研究引起了重視。目前瑞士、日本和 美國等國家都大力支持開展這項高新技術(shù)的研究工作。日本 T.Ohishi 等人對無軸 承永磁電機(jī)（ Internal Permanet Magne ）進(jìn)行了研究，其優(yōu)點是能夠產(chǎn)生強大的 懸浮力并易于控制，實驗樣機(jī)運行轉(zhuǎn)速為 2200rpm ；瑞士的 R . Schob 和 N.Barletta 等人對無軸承的片狀 ( Slice ）電機(jī)進(jìn)行了研究，設(shè)計出的電機(jī)結(jié)構(gòu) 緊湊，采用光電傳感器測量轉(zhuǎn)子的位移，數(shù)字控制器采用的是主頻為 80MHz 的 TMS320C50 作為 CPU 單元，采用開關(guān)功率放大器驅(qū)動，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到 4200Orpm . 目前正在研究轉(zhuǎn)速為 80000 rpm 無軸承片狀電機(jī)。 我國已經(jīng)開始重視研究無軸承電機(jī)， 1999 年國家自然科學(xué)基金資助了無軸承 電機(jī)的研究工作，南京航空航天大學(xué)、江蘇理工大學(xué)和沈陽工業(yè)大學(xué)得到了支持并 正在開展無軸承交流電機(jī)、無軸承片狀電機(jī)等的研究。還有一些單位得到了省市有 關(guān)部門基金的支持，也正在研究和探索這項高新技術(shù)。目前國內(nèi)已發(fā)表了多篇綜述 及理論仿真研究的文章，對無軸承電機(jī)的研究成果還未進(jìn)行公開報道。 （2）無軸承電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀 就無軸承交流電機(jī)研究現(xiàn)狀來看，目前僅停留在理論和樣機(jī)實驗階段，離實用 化還有一定的距離，但就研究初期成果所體現(xiàn)出來的優(yōu)越性足以確信其潛在的使用 價值。無軸承電機(jī)的控制系統(tǒng)是其核心關(guān)鍵技術(shù)，決定無軸承電機(jī)能否穩(wěn)定可靠工 作，目前制約其實用化的重要原因是控制問題。無軸承電機(jī)控制的困難在于該系統(tǒng) 具有復(fù)雜的非線性強耦合特性，主要表現(xiàn)在 無軸承電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮 力之間存在藕合。如果不采取有效地解耦措施，無軸承電機(jī)不可能穩(wěn)定運行，因此 電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間解耦控制是無軸承電機(jī)的基本要求； 無軸承電機(jī)的 7 控制系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮因磁飽和和溫度變化等因素所引起的電機(jī)參數(shù)的變化。設(shè) 計有效而實用的電機(jī)參數(shù)變化的控制系統(tǒng)，這也是一個難點。國外在這些方面研究 中較具有代表性的方法，一種是針對無軸承異步電機(jī)和同步電機(jī)提出了一個近似線 性化的基于矢量變換的控制算法來實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力之間的解耦控制，但 這種算法構(gòu)造比較復(fù)雜，需要對多個磁鏈?zhǔn)噶窟M(jìn)行控制，實現(xiàn)比較困難。另一種方 法分析無軸承異步電機(jī)在負(fù)載條件下徑向懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩耦合的關(guān)系，提出了對 電機(jī)電流的幅值和相角進(jìn)行補償來保持旋轉(zhuǎn)磁場的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動和幅值恒定，實現(xiàn)兩者 之間的解耦，試驗表明提出的補償措施能實現(xiàn)負(fù)載條件下電機(jī)的穩(wěn)定工作，并依此 針對異步電機(jī)提出個間接矢量控制方法。但目前提出的各種方法從解耦角度看，僅 僅實現(xiàn)了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力控制之間的靜態(tài)解耦，還未實現(xiàn)完全的動態(tài) 解耦，要確保無軸承電機(jī)在過渡階段的穩(wěn)定運行，只有實現(xiàn)兩者之間的動態(tài)解耦才 是根本的保證。另外文獻(xiàn)提出的控制方法沒有考慮電機(jī)參數(shù)的變化來設(shè)計控制算法， 因此，考慮電機(jī)參數(shù)的非線性變化、磁路飽和對電機(jī)控制性能的影響，研究滿足電 機(jī)動態(tài)性能要求的控制器、實現(xiàn)無軸承電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力控制之間的動 態(tài)解耦，是無軸承交流電機(jī)的研究重要課題之一。 （3）無軸承電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀 無軸承電機(jī)，一方面具有磁懸浮軸承的優(yōu)點，如無接觸、無需潤滑及無磨損等， 可以用于真空技術(shù)、無菌車間、腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介質(zhì)的傳輸；另一方面電機(jī) 轉(zhuǎn)速可以做得很高、功率也可以很大，特別適用于高速或超高速數(shù)控機(jī)床、渦輪分 子泵、離心泵、壓縮機(jī)、飛輪儲能裝置及小型發(fā)電設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域，特別是無軸承 電機(jī)比其他同功率的電機(jī)及支撐裝置，體積小、重量輕、能耗小，對于提高航空骯 天器的工作性能具有重要意義。無軸承電機(jī)作為一種新型結(jié)構(gòu)的電動機(jī)，發(fā)展才經(jīng) 歷 10 多年時間，研究水平還遠(yuǎn)未達(dá)到系統(tǒng)完善的地步，但是，其研究的進(jìn)程是飛 速的，國外已紛紛研制出無軸承感應(yīng)電機(jī)、無軸承片狀電機(jī)、無軸承同步磁阻電機(jī)、 無軸承永磁同步電機(jī)等實驗樣機(jī)。無軸承感應(yīng)電機(jī)已用于密封泵（ Canned Pump ） 、 計算機(jī)硬盤驅(qū)動裝置；無軸承片狀電機(jī)已用于人工心臟泵中，初步顯示了無軸承電 機(jī)對國民經(jīng)濟(jì)和人民生活質(zhì)量提高等方面所起的作用，相信無軸承電機(jī)的研究成果 用于機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人及航空航天等領(lǐng)域會對國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。 8 第二章第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 2.1 引言 本課題主要研究的無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)和電機(jī)結(jié)構(gòu)有較大的相似之處，只是在普 通電機(jī)中加入一個本文側(cè)重研究的永磁偏置徑向軸向磁軸承而已。接合具體的情況， 在實際設(shè)計過程中許多尺寸的確定是借鑒和參考電機(jī)設(shè)計而得出，在設(shè)計過程中要 注意綜合考慮以下一些情況： （1）磁軸承的定、轉(zhuǎn)子一般是由硅鋼片疊加成的，每片硅鋼片的厚度取決于磁 軸承的幾何尺寸，磁軸承的尺寸越小硅鋼片越薄。轉(zhuǎn)子直徑 d 只受慣性離心力作用 下材料強度的限制。而在材料力學(xué)中，材料的強度和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系可表示為： 2 ，其中表示材料的密度，硅鋼片的密度為 3 7800mkg，表示材料的強 度，查閱資料可知，硅鋼片的強度為 36 10310mN，從而可以確定轉(zhuǎn)子的最大直徑 md063. 0。 （2）在永磁偏置徑向軸向磁軸承中的永磁體是一個磁環(huán)。為了滿足機(jī)械加工要 求，考慮到永磁體的外形、結(jié)構(gòu)以及材料特性，在設(shè)計其尺寸時，需要限制其徑向 厚度不能小于 0.002m。 （3） 由于轉(zhuǎn)子硅鋼片是通過機(jī)械加工后， 然后通過緊配合裝配固定在轉(zhuǎn)軸上的， 因此，在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，轉(zhuǎn)子軸肩處的剪切應(yīng)力是最集中的地方，必須考慮轉(zhuǎn) 子軸肩處材料的剪切強度是否能夠達(dá)到要求，因此要限制轉(zhuǎn)軸的最小直徑。 （4）為了盡量減小漏磁，所以在永磁體與定子疊片的接觸面上，永磁體的貼合 面要小于等于定子疊片的外圓柱面，以緊貼合于定子疊片外徑。 （5）在設(shè)計過程中，要注意控制線圈在外殼中的體積約束。徑向控制線圈的截 面積要小于定子槽面積。軸向控制線圈的截面積要綜合徑向控制線圈截面積和外殼 的內(nèi)腔面積來綜合考慮，要使徑向線圈和軸向線圈相互間不接觸，也要考慮到徑向、 軸向磁路的走向盡可能的減少重疊，還要考慮到外殼的軸向長度盡可能的短，以減 少整個磁軸承部分的長度、體積。 9 2.2 無軸承電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與普通軸承電機(jī)的設(shè)計既有相同，又有不同之處。普通 軸承電機(jī)的設(shè)計包括轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)布置，軸徑估算，跨距和懸伸量的確定，靜態(tài)和動 態(tài)特性計算，外殼的結(jié)構(gòu)和尺寸的確定，潤滑油路及冷卻通道的設(shè)計等。在設(shè)計無 軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)時，除了潤滑油路，其他的都要考慮，另外還要單獨設(shè)計普通電機(jī) 所沒有的永磁偏置徑向軸向磁軸承的具體結(jié)構(gòu)，如永磁鐵和電磁鐵的結(jié)構(gòu)和線圈參 數(shù)的設(shè)計。設(shè)計出來的永磁偏置徑向軸向磁軸承與電機(jī)相配合即為無軸承電機(jī)的總 體結(jié)構(gòu)。 1、轉(zhuǎn)軸部件主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計 （1）轉(zhuǎn)子直徑 d 和磁場寬度 b 的確定 本課題轉(zhuǎn)子直徑 d 的范圍由設(shè)計要求給出，在結(jié)構(gòu)允許的前提下，為提高其承 載能力、改善其動態(tài)特性，盡可能增加轉(zhuǎn)子直徑，所以我們?nèi)〗o出范圍的上限，即 d=40mm。 磁場寬度是指磁軸承電磁鐵的軸向尺寸，為減小電機(jī)的軸向尺寸，磁場寬度取 小值，大約為軸承轉(zhuǎn)子的 2/3。 （2）懸伸量a和跨距l(xiāng)的確定 一般主軸設(shè)計時，其剛度主要由主軸本身的剛度和軸承的剛度兩方面決定，懸 伸量與跨距有一個最佳比值。然而，由于磁軸承主軸部件的設(shè)計對其控制系統(tǒng)有影 響，因此在主軸設(shè)計時，不僅要考慮la的最佳值，而且要考慮給控制系統(tǒng)帶來的影 響。 本次設(shè)計的磁懸浮電動機(jī)為臥式結(jié)構(gòu)， 主軸直徑小， 根據(jù)經(jīng)驗， 取主軸全長為l 3。 （3）磁軸承轉(zhuǎn)子的軸向尺寸的確定 徑向磁軸承限制了轉(zhuǎn)軸的四個自由度及提供徑向的支撐剛度，但由于徑向磁軸 承 對轉(zhuǎn)軸有自動定位的作用，使得轉(zhuǎn)軸在軸向也受到一定的對中力。為避免這一 對中力與軸向磁軸承對轉(zhuǎn)軸的對中控制發(fā)生耦合，設(shè)計時可以考慮使磁軸承轉(zhuǎn)子軸 向尺寸略大于其定子的軸向尺寸。 10 2、主軸上零件的布置 傳感器對永磁偏置磁軸承控制系統(tǒng)的性能有很大的影響，在系統(tǒng)中，主軸的回 轉(zhuǎn)精度和軸向位置精度由傳感器本身精度、位置及基準(zhǔn)環(huán)的精度決定的。因此對傳 感器的布置應(yīng)特別注意。一般來說，徑向傳感器安裝在徑向磁軸承的旁邊，但應(yīng)注 意，基準(zhǔn)環(huán)不應(yīng)選在轉(zhuǎn)軸主振動節(jié)點處。從理論上講，軸向傳感器安裝時，其基準(zhǔn) 環(huán)可以安裝在轉(zhuǎn)軸的任何位置，但實際上受到轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的限制。為便于安裝、測量， 可安裝在轉(zhuǎn)軸的后端。 2.3無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 無軸承電機(jī)的基本組成如圖 4-1 所示，它主要由永磁鐵、電磁軸承轉(zhuǎn)子及其定 子、電機(jī)轉(zhuǎn)子及其定子、轉(zhuǎn)軸、傳感器及其支架、輔助軸承、端蓋、缸筒等組成。 該電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的主要特點有： （1）電機(jī)軸向以電機(jī)定子為定位基準(zhǔn)，以軸肩、軸套、電磁軸承本身定位，徑 向直接以內(nèi)缸筒內(nèi)經(jīng)定位，定位簡單方便。 （2） 設(shè)計電機(jī)的零部件形狀簡單， 無須設(shè)計專用夾具， 故加工方便， 節(jié)約經(jīng)費。 （3）多采用標(biāo)準(zhǔn)件，不但節(jié)省設(shè)計時間，而且縮短生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。 （4）除電機(jī)轉(zhuǎn)子及磁軸承轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸的配合采用過渡配合外，其余不是間隙配 合就是無須配合，故而大多零件無須進(jìn)行精加工，大大減少加工工序。 （5）轉(zhuǎn)子與定子均采用疊片結(jié)構(gòu)，材料為軟磁材料，從而渦流損耗小。 （6）軸向、徑向線圈處于同一結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以進(jìn)行自我解耦。 （7）由于所設(shè)計的磁軸承系統(tǒng)采用裝入式電機(jī)，即將電機(jī)的轉(zhuǎn)子與軸承的轉(zhuǎn)子 固定在一個主軸上，所以，減免了驅(qū)動環(huán)節(jié)。 （8）為防止突然斷電或磁軸承失控時，轉(zhuǎn)子和電機(jī)及磁軸承的定子相碰，損壞 轉(zhuǎn)子，設(shè)計了一對深溝球軸承作為保護(hù)裝置。 （9）多采用螺栓、螺釘和緊定套環(huán)固定，易于裝卸。 （10）通過在一個方向上布置四個傳感器，并接成差動結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高 了測量精度。 11 2.4 無軸承電機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1、無軸承電機(jī)磁懸浮軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 磁懸浮軸承的選擇 磁懸浮軸承種類很多，按受控自由度可分為一軸、二軸直至五軸；按利用的磁 場力的類型可分為吸力型及斥力型。但目前，磁軸承一般分為主動磁軸承（Active Magnetic Bearing，簡稱 AMB） 、被動磁軸承（Passive Magnetic Bearing，簡稱 PMB） 和混合磁軸承（Hybrid Magnetic Bearing，簡稱 HMB）三類。其中 AMB 利用電磁鐵 產(chǎn)生可控的電磁力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸??；PMB 完全利用不可控的永磁體或超導(dǎo)材料產(chǎn)生 磁力； HMB 則由電磁鐵和永磁體共同產(chǎn)生磁力。 由于第三類磁軸承本身的研究在國內(nèi)、 外倍受重視。而且這種新型磁軸承和以往的磁軸承相比，在結(jié)構(gòu)上能夠大大地減小 尺寸、體積，在系統(tǒng)上可以減少系統(tǒng)的重量、功耗，同時這種磁軸承還具有自身能 夠?qū)崿F(xiàn)徑向、軸向磁場解耦的優(yōu)點，完全符合無軸承電機(jī)盡量減小軸向尺寸、減少 系統(tǒng)的重量、功耗等要求。所以本課題擬采用此類軸承。分析現(xiàn)今此類軸承的發(fā)展 狀況，采用新型的三自由度永磁偏置徑向軸向磁軸承。 2、永磁偏置徑向軸向磁軸承的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 永磁偏置徑向軸向磁軸承與普通磁懸浮軸承大體相一致，只是多加了一個永磁 體來提供偏置磁場，根據(jù)一般磁軸承結(jié)構(gòu)，結(jié)合永磁偏置徑向軸向磁軸承的工作原 理，設(shè)計其總體結(jié)構(gòu)如下圖 2-1 所示 12 1.軸向定子 2. 徑向控制線圈 3. 永磁體 4. 軸向控制線圈 5. 轉(zhuǎn)子硅鋼片 6. 轉(zhuǎn)軸 7. 徑向定子 8. 定位鋁圈 圖 2-1 永磁偏置徑向軸向磁軸承總體結(jié)構(gòu)示意圖 該磁懸浮軸承在結(jié)構(gòu)上的主要特點有： （1） 軸向定子由三個零件組裝而成，比整體結(jié)構(gòu)而言，雖然在連接處存在漏 磁現(xiàn)象，但是加工方便，經(jīng)濟(jì)效益好，而且比整體結(jié)構(gòu)裝配方便。 （2） 轉(zhuǎn)子硅鋼片直接以軸肩定位，無須設(shè)計定位軸套。 （3） 徑向控制線圈繞在徑向定子的齒槽內(nèi)，而軸向線圈則直接繞在軸向定子 設(shè)計出來的凸臺上，繞線簡單可行。 （4） 軸向定子用螺釘連接，裝卸方便。 （5） 各零件徑向皆以彼此的內(nèi)外徑定位，而軸向則增加了兩個鋁圈，尺寸大 小一致，一來可以保證永磁體和徑向定子定位在整個磁軸承的正中，同時鋁不導(dǎo)磁， 故不存在擾磁、漏磁及耗磁問題。 （6） 軸向定子設(shè)計成臺階狀，便于與磁軸承外圓定位及裝配。 （7） 整體結(jié)構(gòu)軸向尺寸小，從而縮短了電機(jī)主軸的跨距，增大電機(jī)的扭矩及 輸出功率。 13 2.52.5 無軸承電機(jī)的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計 1、電磁軸承的定子與轉(zhuǎn)子 定子是電磁軸承最關(guān)鍵的部件之一，它主要由定子鐵芯、定子繞組等組成的八 極結(jié)構(gòu)，如圖 2-2 所示。 圖 2-2 電磁軸承定子結(jié)構(gòu)簡圖 定子鐵芯由導(dǎo)磁性能好的軟磁材料 （如硅鋼）薄片制成，轉(zhuǎn)子是定子的銜鐵， 故必須采用導(dǎo)磁性能好的軟磁材料（硅鋼）薄片粘疊而成。 此類零件早有先例，結(jié)合磁懸浮軸承的具體參數(shù)，參照電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計即可。 考慮到電機(jī)尺寸較小，采用八極結(jié)構(gòu)即可。齒槽結(jié)構(gòu)很多，采用上述結(jié)構(gòu)，主要是 考慮其齒槽較大，方便傳感器的傳輸線從其中穿過，無須專門設(shè)計線路通道，同時 也減少加工工序。 2、傳感器支架及其基準(zhǔn)環(huán) 傳感器支架用于支撐位移傳感器探頭，無論是水平方向還是垂直方向，都采用 兩個傳感器差動檢測轉(zhuǎn)子位移，因此，在同一個方向上安置的螺孔必須是同軸共線 的，水平和垂直方向的軸線必須滿足一定的垂直度要求。其結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示。 14 圖 2-3 傳感器支架 傳感器支架的四個方向不但開了傳感器支撐孔，而且挖空一塊，一來減輕電機(jī) 重量，更主要的還是方便線路通暢，同時還是冷卻空氣內(nèi)外交替的主要途徑。 另外，如此結(jié)構(gòu)也方便傳感器支撐孔的加工。在圓柱表面進(jìn)行加工孔加工，保證其 形位公差。況且這四個孔需要一定的同軸度與垂直度要求。 圖 2-4 基準(zhǔn)環(huán) 轉(zhuǎn)子的位移信號是通過傳感器基準(zhǔn)環(huán)傳遞給傳感器的，故對傳感器基準(zhǔn)環(huán)的要 求主要是表面質(zhì)量， 以及與轉(zhuǎn)子是同軸同心問題， 加工要求較高。 其結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所 15 示。 基準(zhǔn)環(huán)只是傳遞旋轉(zhuǎn)信息，故結(jié)構(gòu)不須太過復(fù)雜，但加工要求很高。首先要控 制其同軸度在 78 級之內(nèi)，一般采用精鏜加工。其次其外圓表面加工精度要達(dá)到 IT6IT7,表面粗糙度要求 a R0.80.2m，一般采用精細(xì)車或者磨削加工。 3、缸筒 缸筒用于支撐電磁軸承機(jī)械系統(tǒng)及驅(qū)動轉(zhuǎn)子的電動機(jī)等，因此要求具有良好的 散熱結(jié)構(gòu)能力，本文采用空冷，具體結(jié)構(gòu)如圖 2-5 。 外缸筒旨在使裝入的電機(jī)與端蓋連接為一個整體，故結(jié)構(gòu)越簡單越好。本文采 用了最簡單的圓筒型，為了安裝吊環(huán)，特作了一個吊環(huán)凸臺。這種結(jié)構(gòu)的加工主要 在其左右端面以及內(nèi)圓面。首先，內(nèi)圓面與內(nèi)缸筒配合，而內(nèi)缸筒直接與磁軸承定 子配合，故需保證其平行度和同軸度，一般其平行度誤差為 0.16mm，同軸度為 8 級。其次，其兩端面同上述端蓋的端面要求，即端面徑向跳動 8 級。而其端面的螺 紋孔則要求位置度誤差。具體見零件圖。 （A）外缸筒 內(nèi)缸筒主要起裝配電機(jī)定子、磁軸承定子、傳感器支架以及定位軸套和為電機(jī) 散熱的作用。最簡單的圓筒即可。其上的冷卻結(jié)構(gòu)很多，有在外表面開螺旋槽水冷 和在內(nèi)表面開空冷槽等多種方式。本文采用最簡單的在內(nèi)部開通槽的結(jié)構(gòu)。空冷槽 與前后端蓋上的通氣孔相連，實現(xiàn)內(nèi)外空氣交替轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電機(jī)的的空氣冷卻。 16 這種結(jié)構(gòu)比在外表面開螺旋槽的結(jié)構(gòu)加工簡單，經(jīng)濟(jì)效益高。但是，只適用于電機(jī) 在低轉(zhuǎn)速的情況下。在電機(jī)超高速運轉(zhuǎn)的情況下，空冷是達(dá)不到冷卻效果的，只能 使用水冷卻。其加工要求與外缸筒相同。 （B）內(nèi)缸筒 圖 2-5 (A) 外缸筒 （B）內(nèi)缸筒 4、轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸承當(dāng)著電磁軸承轉(zhuǎn)子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、基準(zhǔn)環(huán)等零件的裝配，以及傳遞電機(jī)扭 矩等功能， 所以不但要求結(jié)構(gòu)合理， 而且需要加工到所需要的精度。 結(jié)構(gòu)如圖 2-6 所 示。 圖 2-6 17 第三章第三章磁懸浮軸承的工作原理磁懸浮軸承的工作原理 3.1 引言 磁軸承按照磁力的提供方式可分為主動磁軸承、被動磁軸承和混合磁軸承，其 中混合磁軸承一般采用永磁材料替代主動磁軸承中的電磁鐵來產(chǎn)生偏置磁場，可以 降低功率放大器的功耗，縮小磁軸承的體積，因此研究永磁偏置磁軸承是磁軸承研 究領(lǐng)域的一個重要研究方向。目前國際上典型的五自由度磁軸承系統(tǒng)一般采用兩個 徑向磁軸承和一個軸向磁軸承來分別控制徑向、軸向的運動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度的 穩(wěn)定懸浮，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3-1（A） ，這三個磁軸承在軸向占據(jù)了相當(dāng)大的空間，限 制了高速電機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步的提高，因此研究結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功耗低的磁軸承 及磁軸承集成技術(shù)是磁軸承的研究領(lǐng)域的一個重要研究方向。 本文研究無軸承電機(jī)的一種新穎的永磁偏置徑向軸向磁軸承，該磁軸承將軸向 和徑向磁軸承的功能集于一體，這樣一來，五自由度磁軸承系統(tǒng)中的磁軸承從三個 減為兩個，去掉了一個獨立的軸向磁軸承，使整個系統(tǒng)得以簡化，減小了系統(tǒng)體積 和軸向長度，從而可以提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、同時降低了磁軸承的功耗，采用永磁 偏置徑向軸向磁軸承和無軸承電機(jī)的新型五自由度磁軸承系統(tǒng)如圖 3-1（B） 。從圖中 可見新的設(shè)計大大縮短了轉(zhuǎn)子軸向長度，使得整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化。更為重要 的是，這種新型結(jié)構(gòu)的徑向軸向磁軸承還具有固有的徑向、軸向磁場解耦功能，在 此基礎(chǔ)之上就可以應(yīng)用獨立控制方法來實現(xiàn)磁軸承系統(tǒng)各自由度的懸浮控制，再通 過系統(tǒng)集成實現(xiàn)整個轉(zhuǎn)子的整體懸浮。 （A）傳統(tǒng)磁軸承系統(tǒng) 18 （B）新型五自由度磁軸承 圖 3-1 兩種磁軸承系統(tǒng)的比較 3.2 磁軸承的組成 一個完整的電磁軸承系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、偏磁回路、控制回路三個部分組成， 各部分可有多種不同的結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用情況和精度要求等設(shè)計。 1、磁軸承的機(jī)械系統(tǒng) 磁軸承的機(jī)械系統(tǒng)是由磁軸承系統(tǒng)的軸承主體（即控制對象）主要包括定子組 件、轉(zhuǎn)子組件、保護(hù)軸承及其他輔助零部件組成。其結(jié)構(gòu)形式主要取決于定子組件 的電磁鐵和永磁體的形式。主要有：軸向電磁軸承、徑向電磁軸承、徑向推力電磁 軸承。這里采用混合徑向軸向電磁軸承于一體的永磁偏置徑向軸向磁軸承。采用如 此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于： 兩個磁軸承合為一個，結(jié)構(gòu)更緊湊，軸向利用率和軸承剛度 顯著提高，可突破大功率和超高轉(zhuǎn)速限制，并可實現(xiàn)微型化： 磁軸承軸向長度大 幅度縮短，磁軸承和無軸承電機(jī)之間的耦合程度也大為降低，便于實現(xiàn)五自由度懸 ??； 用于控制懸浮的功率電路大為減少，簡化了控制系統(tǒng)； 混合磁軸承獨特 的磁路結(jié)構(gòu)使其具有軸向徑向自我解耦的功能，其控制方法與傳統(tǒng)磁軸承電機(jī)類似。 2、磁軸承的偏磁回路 在永磁偏置的電磁軸承中，偏置磁場是由永磁體提供的，而電磁鐵提供控制磁 場，產(chǎn)生控制磁場的電流可由恒流源提供。如此的偏置回路可以減低功率放大器的 功耗及減少電磁鐵的安匝數(shù)，縮小電磁軸承的體積，提高承載能力。 19 3、磁軸承的控制回路 控制回路是電磁軸承系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，其性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項技術(shù) 指標(biāo)都有密切關(guān)系。它由控制器、功率放大器和位移傳感器等組成。 3.1 控制器 控制器的電路部分可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。采用模擬電路的好處是響 應(yīng)快、性能好且穩(wěn)定、成本較低；而采用數(shù)字電路的優(yōu)勢在于易于實現(xiàn)復(fù)雜的控制 規(guī)律、易于修改，但存在時間延遲較大的缺點。 目前，廣泛采用的控制器是經(jīng)典 PID（比例積分微分）電路，也可以采用 精確的數(shù)字控制。設(shè)計的主要內(nèi)容是確定其電路參數(shù)的選擇范圍，以保證控制的穩(wěn) 定性。 3.2 功率放大器 功率放大器是電磁軸承系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，它與采用的控制直接有關(guān)，同時 也影響調(diào)節(jié)參數(shù)的選取范圍。功率放大器的輸入為控制電壓，輸出可以是電壓或電 流。 在電磁軸承系統(tǒng)中功率放大器的作用是向電磁鐵提供產(chǎn)生電磁力所需的電流。 常見的功率放大器有兩種形式：即電壓電壓型功率放大器和電壓電流功率放大 器。從傳遞函數(shù)來看，前者的傳遞函數(shù)是一個無量綱量，而后者具有量綱。從輸出 量的性質(zhì)來看，前者的輸出為電壓而后者為電流。在電磁軸承系統(tǒng)中，若采用電壓 電壓型功率放大器，我們稱之為電壓控制策略；若采用電壓電流功率放大器， 則稱之為電流控制策略。 雖然，目前常見的功率放大器多為電壓電壓功率放大器，但在電磁軸承系統(tǒng) 中采用的往往是電壓電流功率放大器。功率放大器的輸出與電磁鐵線圈相聯(lián)后， 直接控制的是線圈上的電流。 3.3 傳感器 傳感器是電磁軸承系統(tǒng)的核心部件之一，它的性能對系統(tǒng)的控制精度起決定作 用。其反饋信號可以是多種多樣的，位移、速度、電流、電磁力、磁通量等都可以 作為反饋控制信號。目前，多采用位移傳感器，軸向推力電磁軸承也可以采用速度 傳感器。 20 由于電磁鐵線圈電感的影響使電流產(chǎn)生滯后， 勢必影響到系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)， 因而，選擇的傳感器應(yīng)能消除上述因素的影響。具體地說，電磁軸承系統(tǒng)對位移傳 感器的第一個要求是非接觸式的，進(jìn)一步說，這種傳感器必須能夠測量旋轉(zhuǎn)表面， 所以轉(zhuǎn)子的幾何形狀、表面質(zhì)量等都將影響測量結(jié)果。從理論上看，利用電容、電 感、霍爾效應(yīng)、磁阻抗等均可實現(xiàn)此目的。 電磁軸承對傳感器的要求還有：能真實反映出轉(zhuǎn)子中心的位移變化；具有很高 的靈敏度、信噪比、線性度、溫度穩(wěn)定性、抗干擾能力及精度的重復(fù)性，同時還要 求有一定的頻率范圍。 3.3 磁軸承的基本工作原理 永磁偏置的電磁軸承結(jié)構(gòu)原理見圖 1 所示。轉(zhuǎn)子在永久磁鐵產(chǎn)生的靜磁場吸力 作用下處于懸浮的平衡位置(中間位置) , 這個位置也稱為參考位置。由于結(jié)構(gòu)的對 稱性, 永久磁鐵產(chǎn)生的永磁磁通在轉(zhuǎn)子上方氣隙1-1 處和轉(zhuǎn)子下方氣隙2-2 處是相 等的。此時若不計重力則 兩氣隙處對轉(zhuǎn)子的吸力相 等, 即 F1=F2。假設(shè)在參 考位置上轉(zhuǎn)子受到一個向 下的外擾, 轉(zhuǎn)子就會偏離 其參考位置向下運動, 由 于轉(zhuǎn)子上下氣隙的間隙變 化, 使得其磁通變化。 。 即: 上間隙增大, 磁通 1p 減 少; 下間隙減小, 磁通 2p 增加。 由于 21pp , 故由磁場吸力與磁通的關(guān) 系可得轉(zhuǎn)子受到的吸力變?yōu)?F1F2。此時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離其參考位置的位移, 控制器將這一位移信號變換成控制信號, 功率放大器又將該控制信號變換成控制電 流 i, 該電流流經(jīng)電磁鐵線圈繞組使鐵芯內(nèi)產(chǎn)生一電磁磁通 k ,該磁通在轉(zhuǎn)子上方 21 氣隙 1-1 處與永磁磁通 1p 疊加時, 由于永磁磁通與電磁磁通流向相同, 故使氣隙 1-1 處的總磁通增加, 由原來的 1p 變?yōu)?kp 1 ； 磁通 k 在轉(zhuǎn)子下方氣隙 2-2 處 與永磁磁通 2p 疊加時, 由于永磁磁通與電磁通流向相反, 故使氣隙 2-2 處的總磁 通減少, 由原來的 2p 變?yōu)?kp 2 。當(dāng) k ( 12pp )/2 時, 兩氣隙處產(chǎn)生 的吸力又變?yōu)?F1F2 使得轉(zhuǎn)子重新返回到原來的平衡位置。同理, 轉(zhuǎn)子受其它方向 干擾也始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。 1、永磁偏置徑向軸向磁軸承的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 永磁偏置徑向-軸向磁軸承基本結(jié)構(gòu)見圖3-2，由軸向定子、軸向控制線圈、徑 向定子、徑向控制線圈、環(huán)型永久磁鐵等構(gòu)成。工作時軸向兩個線圈、徑向分 1.軸向定子；2.軸向控制線圈；3.軸向磁軸承氣隙；4.徑向磁軸承氣隙 5.轉(zhuǎn)子疊片；6.徑向控制線圈；7.徑向磁軸承定子；8.環(huán)型永久磁體 圖3-2 永磁偏置徑向軸向磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖 別對置的兩個線圈串聯(lián)作為相關(guān)自由度的控制線圈。定子鐵芯采用硅鋼片疊壓而成， 永久磁鐵采用稀土材料釹鐵硼制成。當(dāng)徑向-軸向都穩(wěn)定懸浮時，轉(zhuǎn)子在永久磁鐵產(chǎn) 生的靜磁場吸力下處于懸浮的中間位置，徑向和軸向單邊的氣隙都為0.5mm。由于結(jié) 構(gòu)的對稱性，永久磁鐵產(chǎn)生的磁通密度在轉(zhuǎn)子上下、左右和前后的氣隙處是相等的。 這類磁軸承利用一個徑向充磁的環(huán)型永磁體來產(chǎn)生軸向和徑向氣隙的偏置磁 場，采用單極性結(jié)構(gòu)使偏置磁場在徑向和軸向氣隙流出（入）轉(zhuǎn)子，消除了轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)時徑向和軸向氣隙中的磁極性變化，減小了轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時的磁滯損耗。利用 22 永磁體代替電磁鐵提供偏置磁通后具有如下優(yōu)點： 線圈電流只需提供控制磁通，從而使電磁鐵安匝數(shù)顯著減小、磁軸承的銅耗 大大降低； 在氣隙長度范圍內(nèi)，磁懸浮力的剛度系數(shù)更接近于常數(shù)； 每個自由度只需一個功率放大器，使系統(tǒng)可靠性增強、成本降低。 該磁軸承的整體設(shè)計緊湊，其功能單元（線圈、磁極鐵心、永磁環(huán)體）幾乎占 據(jù)了磁軸承大部分體積，空間利用率非常高。在控制線圈沒有通電的情況下，轉(zhuǎn)子 處于平衡位置時，環(huán)型永磁體在軸向氣隙處產(chǎn)生的偏置磁通相等，同時在四個徑向 氣隙處也產(chǎn)生相等的偏置磁通，這樣使轉(zhuǎn)子受到的軸向和徑向的磁阻力合力為零。 當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時，永磁偏置磁場對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁阻力并不能使轉(zhuǎn)子回到平衡 位置，因此需要一個主動的閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)去控制軸向控制線圈和徑向控制線圈 的電流，產(chǎn)生控制磁通和偏置磁通疊加，使其在轉(zhuǎn)子的一個方向的磁通增強，在另 一個方向的磁通減少，因此在上、下（Y）方向上產(chǎn)生的力的大小不一樣，轉(zhuǎn)子在上、 下磁阻力的作用下回到平衡位置。 圖3-3 是軸向磁軸承的磁路圖，圖中 PM 是永久磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通， ZEM 是軸向控制線圈中電流產(chǎn)生的控制磁通，氣隙磁通由這兩部分磁通合成。圖 3-5 是徑向磁軸承的磁路圖，圖中標(biāo)明了x方向磁通的路徑， PM 是永久磁鐵產(chǎn)生 的靜態(tài)偏置磁通， XEM 是X方向的控制磁通，用同樣的方法可以標(biāo)明y方向磁通 的路徑。 23 圖3-3 軸向磁軸承的磁路圖圖3-4 徑向磁軸承的磁路圖 徑向和軸向混合磁軸承在3 個自由度上的工作原理是一樣的。參考圖3-4，當(dāng)軸 向穩(wěn)定懸浮時，磁軸承轉(zhuǎn)子在永久磁鐵產(chǎn)生的靜磁場吸力下處于懸浮的中間位置， 也稱這個位置為參考位置。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，永久磁鐵產(chǎn)生的磁通在轉(zhuǎn)子右面的 氣隙Z1 處和轉(zhuǎn)子左面的氣隙Z2 處是相等的，此時左右吸力相等。如果在此平衡位 置時轉(zhuǎn)子受到一個向右的外擾力，轉(zhuǎn)子就會偏離參考位置向右運動，造成永久磁鐵 產(chǎn)生的左右氣隙的磁通變化（假設(shè)徑向在平衡位置），即左面的氣隙增大，使永磁 體產(chǎn)生的磁通 2PMZ 減少，右面的氣隙減少，使永磁體產(chǎn)生的磁通 1PMZ 增加。 根據(jù)磁場吸力與磁通的關(guān)系可得： Z PMZ Z Z Z SS F 0 2 1 0 2 1 1 (2-1) Z PMZ Z Z Z SS F 0 2 2 0 2 2 2 (2-2) 式中Fz1、Fz2 分別為吸力盤左、右面受到的電磁吸力；z1、z2分別為左右 氣隙處產(chǎn)生的合成磁通； Z S為軸向磁極的面積； 0 為空氣的磁導(dǎo)率。 在未產(chǎn)生控制磁通 ZEM 之前，由于 2PMZ 1PMZ ，故Fz2Fz1。由于外擾力使 轉(zhuǎn)子向右運動，此時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離其參考位置的位移量，控制器將這一位 移信號轉(zhuǎn)變成控制信號，功率放大器又將此控制信號變換成控制電流i，這個電流流 經(jīng)電磁鐵線圈繞組使鐵芯內(nèi)產(chǎn)生一電磁磁通 ZEM ，在轉(zhuǎn)子左面的Z2 處由勵磁磁通 和永磁磁通的流向相同，與永磁磁通 2PMZ 疊加，使氣隙Z2 處總的磁通增加，即 z2= 2PMZ + ZEM ；勵磁磁通 ZEM 在右面氣隙Z2 處，由于與永磁磁通 1PMZ 的流向 相反，故在氣隙Z1處的總磁通減少為z1= 1PMZ - ZEM 。 根據(jù)吸力公式(2-1)和(2-2)，要滿足Fz2Fz1，使轉(zhuǎn)子回到參考位置的條件為： 2 21PMZPMZ ZEM (2-3) 如果轉(zhuǎn)子受到一個向左的外擾力，可以用類似的方法進(jìn)行分析，得到相反的結(jié) 24 論。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向右或向左的外擾動, 帶位置負(fù)反饋的永磁偏置軸向磁軸 承系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子通過控制器控制勵磁繞組中的電流，調(diào)節(jié)左右氣隙磁通的大小, 始 終能保持轉(zhuǎn)子在平衡位置。 第四章第四章結(jié)論結(jié)論 為了減小磁軸承電機(jī)的軸向長度、提高臨界轉(zhuǎn)速、縮小系統(tǒng)體積和提高系統(tǒng)的 可靠性，實現(xiàn)磁軸承的集成化、小型化，本文針對無軸承電機(jī)的一種新型的永磁偏 置徑向軸向磁軸承進(jìn)行了初步的研究，研究工作主要包括以下幾個方面： （1） 結(jié)合磁軸承系統(tǒng)與電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 總體描繪出無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)草圖， 繼而從總體結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計無軸承電動機(jī)的主