畢業(yè)設(shè)計(jì)62無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制設(shè)計(jì)

殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 III 畢業(yè)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目 ： 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu) 與懸浮控制 系 別 ： 機(jī)械工程系 專 業(yè) ： 機(jī)械制造工藝及設(shè)備 及計(jì)算機(jī)應(yīng)用 班 級(jí) ： 01 機(jī) /計(jì) （ 1） 姓 名 ： 學(xué) 號(hào) ： 指導(dǎo)教師 ： 完成時(shí)間 ： 05 年 6 月 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 IV 目錄 第一章 緒論 1 1.1 無軸承電機(jī)的研究意義與現(xiàn)狀 1 1.2 論文的提出及論文的內(nèi)容安排 4 第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6 2.1 引言 6 2.2 無軸承電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 2.3 無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 2.4 無軸承電 機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.5 無軸承電機(jī)的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 第三章 磁懸浮軸承的工作原理及數(shù)學(xué)建模 17 3.1 引言 17 3.2 磁軸承的組成 18 3.3 磁軸承的基本工作原理 19 3.4 永磁偏置軸向徑向磁軸承的建模 23 3.5 混合磁軸承的具體參數(shù)設(shè)計(jì) 32 第五章 結(jié)論 36 致謝 37 參考文獻(xiàn) 38 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 V 第一章 緒論 1.1 無軸承電機(jī)的研究意義與現(xiàn)狀 1.1.1 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(chǔ)能等裝備中需要用大功率的高速超高速電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱為電機(jī)）來驅(qū)動(dòng)。我們知道，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)機(jī)械軸承振動(dòng)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(chǎng)力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實(shí)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 1 1 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(diǎn)，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(gè)造價(jià)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 1 1 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(dú)設(shè)計(jì)或使 用 專門的機(jī)械軸承、氣浮或液浮軸承。 由于磁軸承結(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殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 VI 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(chǎng)極對(duì)數(shù) 1p 與徑向懸浮力繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)極對(duì)數(shù) 2p 的關(guān)系為 : 1p = 2p 1 ，懸浮力繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電機(jī)定子繞組（或永磁體）產(chǎn)生的磁場(chǎng)合成一個(gè)整體，通過探索驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力和徑向懸浮力 耦 合情況以及解 耦 方法，獨(dú)立控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，實(shí)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(zhǎng)、無須潤(rùn)滑、無機(jī)械摩擦和磨損等優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)： 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(zhǎng)度可以設(shè)計(jì)得較短，臨界轉(zhuǎn)速可以較高，電機(jī)轉(zhuǎn)速僅受材料強(qiáng)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(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如要求無粉塵、無潤(rùn)滑、小體積環(huán)境工作的計(jì)算機(jī)硬盤 驅(qū) 動(dòng)器、微型高速機(jī)床等；另一方面，在 同樣長(zhǎng)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(jiǎn)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(chǎng)，徑向 懸 浮力控制系統(tǒng)的功耗只有電機(jī)功耗的 2%， 5%，這些優(yōu)點(diǎn)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，廣闊殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 VII 的應(yīng)用前景，對(duì)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(shí)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。 1.1.2 無軸承電機(jī)的研究現(xiàn)狀 1.1.2.1 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(shí)現(xiàn) 電機(jī)和軸承一體化，這個(gè)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(shí)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(xiàng)高新技術(shù)的研究工作。日本 T.Ohishi 等人對(duì)無軸承永磁電機(jī)（ Internal Permanet Magne ）進(jìn)行了研究，其優(yōu)點(diǎn)是能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的懸浮力并易于控制，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為 2200rpm ；瑞士的 R . Schob 和N.Barletta 等人對(duì)無軸承的片狀 ( Slice ）電機(jī)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出的電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，采用光電傳感器測(cè)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(dòng)，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(xiàng)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(duì)無軸承電機(jī)的研究成果還未進(jìn)行公開報(bào)道。 1.1.2.2 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(shí)驗(yàn)階段，離實(shí)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(jià)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(shí)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(qiáng) 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(yùn)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)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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)殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 VIII 計(jì)有效而實(shí)用的電機(jī)參數(shù)變化的控制系統(tǒng)，這也是一個(gè)難點(diǎn)。國外在這些方面研究中較具有代表性的方法，一種是針對(duì)無軸承異步電機(jī)和同步電機(jī)提出了一個(gè)近似線性化的基于矢量變換的控制算法來實(shí)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(duì)多個(gè)磁鏈?zhǔn)噶窟M(jìn)行控制，實(shí)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(duì)電機(jī)電流的幅值和相角進(jìn)行補(bǔ)償來保持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)和幅值恒定，實(shí)現(xiàn)兩者之間的解 耦 ，試驗(yàn)表明提出的補(bǔ)償措施能實(shí)現(xiàn)負(fù)載條件下電機(jī)的穩(wěn)定工作，并依此針對(duì)異步電機(jī)提出個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)完全的動(dòng)態(tài)解 耦 ，要確保無軸承電機(jī)在過渡階段的穩(wěn)定運(yùn)行，只有實(shí)現(xiàn)兩者之間的動(dòng)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(jì)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(duì)電機(jī)控制性能的影響，研究滿足電機(jī)動(dòng)態(tài)性能要求的控制器、實(shí)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(dòng)態(tài)解 耦 ，是無軸承交流電機(jī)的研究重要課題之一。 1.1.2.3 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(diǎn)，如無接觸、無需潤(rùn)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(chǔ)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(duì)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(dòng)機(jī)，發(fā)展才經(jīng)歷 10 多年時(shí)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)。無軸承感應(yīng)電機(jī)已用于密封泵（ Canned Pump ）、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)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(duì)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(huì)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。 1.2 論文的提出及論文的內(nèi)容安排 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 IX 1.2.1 論文的提出 無軸承電機(jī)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由于它具有上述諸多優(yōu)良性能及其在眾多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景，使得無軸承電機(jī)技術(shù)越來越受到國內(nèi)外專家、學(xué)者的關(guān)注與重視。而我國對(duì)這一技術(shù)的研究尚不成熟，針對(duì)這種情況，我們?cè)诋厴I(yè)設(shè)計(jì)中選擇了這一課題。鑒于無軸承電機(jī)不但具有磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)，而且 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(duì)于提高高速及超高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的工作性能具有重 要意義， 本文就是基于這些問題提出的。對(duì)于一個(gè)典型的無軸承電機(jī)來說，它主要由機(jī)械、檢測(cè)、控制三大主要部分組成，而控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，而合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又是保證承載能力要求和運(yùn)行穩(wěn)定可靠的前提，所以，本論文主要對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。 文中以 無軸承電機(jī) 的永磁偏置徑向軸向磁軸承本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（機(jī)械部分）及控制系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。 1.2.2 論文內(nèi)容的安排 第一章介紹了無軸承電機(jī) 的研究意義及現(xiàn)狀 。此外還介紹了論文的提出及主要內(nèi)容的 安排 。 第二章從無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)入手，對(duì)無軸承電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 第三章分析了無軸承電機(jī)中永磁偏置徑向軸向磁軸承的工作原理，建立了數(shù)學(xué)模型，并以具體的參數(shù)要求為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 第四章對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，按照性能參數(shù)的要求計(jì)算控制參數(shù) 并設(shè)計(jì) PID 控制器及其控制電路。 第五章總結(jié)全文內(nèi)容，突出研究工作的重點(diǎn)，并對(duì)未來的工作進(jìn)行展望。 第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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(gè)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(shí)際設(shè)計(jì)過程中許多尺寸的確定是借鑒和參考電機(jī)設(shè)計(jì)而得出，在設(shè)計(jì)過程中要殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 X 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(qiáng)度的限制。而在材料力學(xué)中，材料的強(qiáng)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 37800 mkg ， 表示材料的強(qiáng)度，查閱資料可知，硅鋼片的強(qiáng)度為 3610310 mN ，從而可以確定轉(zhuǎn)子的最大直徑 md 063.0 。 （ 2）在永磁偏置徑向軸向磁軸承中的永磁體是一個(gè)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(jì)其尺寸時(shí)，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(qiáng)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(jì)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(zhǎng)度盡可能的短，以減少整個(gè)磁軸承部分的長(zhǎng)度、體積。 2.2 無軸承電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與普通軸承電機(jī)的設(shè)計(jì)既有相同，又有不同之處。普通軸承電機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)特性計(jì)算，外殼的結(jié)構(gòu)和尺寸的確定，潤(rùn)滑油路及冷卻通道的設(shè)計(jì)等。在設(shè)計(jì)無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí)，除了潤(rùn)滑油路，其他的都要考慮，另外還要單獨(dú)設(shè)計(jì)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(jì)。設(shè)計(jì)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)。 2.2.1 轉(zhuǎn)軸部件主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì) （ 1）轉(zhuǎn)子直徑 d 和磁場(chǎng)寬度 b 的確定 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XI 本課題轉(zhuǎn)子直徑 d 的范圍由設(shè)計(jì)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(dòng)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(chǎng)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(chǎng)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 的確定 一般主軸設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)最佳比值。然而，由于磁軸承主軸部件的設(shè)計(jì)對(duì)其控制系統(tǒng)有影響，因此在主軸設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)的磁懸浮電動(dòng)機(jī)為臥式結(jié)構(gòu)，主軸直徑小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取主軸全長(zhǎng)為 l3 。 （ 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(gè)自由度及提供徑向的支撐剛度，但由于徑向磁軸承對(duì)轉(zhuǎn)軸有自動(dòng)定位的作用，使得轉(zhuǎn)軸在軸向也受到一定的對(duì)中力。為避免這一對(duì)中力與軸向磁軸承對(duì)轉(zhuǎn)軸的 對(duì)中控制發(fā)生耦合，設(shè)計(jì)時(shí)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。 2.2.2 主軸上零件的布置 傳感器對(duì)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(duì)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(dòng)節(jié)點(diǎn)處。從理論上講，軸向傳感器安裝時(shí)，其基準(zhǔn)環(huán)可以安裝在轉(zhuǎn)軸的任何位置，但實(shí)際上受到轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的限制。為便于安裝、測(cè)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(jì) 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。 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XII 100圖 2-1 無軸承電機(jī) 的總體結(jié)構(gòu)示意圖 該電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)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(jiǎn)單方便。 （ 2）設(shè)計(jì)電機(jī)的零部件形狀簡(jiǎn)單，無須設(shè)計(jì)專用夾具，故加工方便，節(jié)約經(jīng)費(fèi)。 （ 3）多采用標(biāo)準(zhǔn)件，不但節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間 ，而且縮短生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XIII （ 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(jì)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(gè)主軸上，所以，減免了驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。 （ 8）為防止突然斷電或磁軸承失控時(shí)，轉(zhuǎn)子和電機(jī)及磁軸承的定子相碰，損壞轉(zhuǎn)子，設(shè)計(jì)了一對(duì)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(gè)方向上布置四個(gè)傳感器，并接成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。 2.4 無軸承電機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.4.1 無軸承電機(jī)磁懸浮軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.4.1.1 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(chǎng)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(dòng)磁軸承（ Active Magnetic Bearing，簡(jiǎn)稱 AMB）、被動(dòng)磁軸承（ Passive Magnetic Bearing，簡(jiǎn)稱 PMB）和混合磁軸承（ Hybrid Magnetic Bearing， 簡(jiǎn)稱 HMB）三類。其中 AMB 利用電磁鐵產(chǎn)生可控的電磁力，實(shí)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(shí)這種磁軸承還具有自身能夠?qū)崿F(xiàn)徑向、軸向磁場(chǎng)解耦的優(yōu)點(diǎn)，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?fàn)顩r，采用新型的三自由度永磁偏置徑向軸向磁軸承。 2.4.2 永磁偏置徑向軸向磁軸承的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(gè)永磁體來提供偏置磁場(chǎng)，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殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XIV 理，設(shè)計(jì)其總體結(jié)構(gòu)如下圖 2-2 所示 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 2-2 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(diǎn)有 ： （ 1） 軸向定子由三個(gè)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(jì)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(jì)出來的凸臺(tái)上，繞線簡(jiǎn)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(gè)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(gè)磁軸承的正中，同時(shí)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(jì)成臺(tái)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。 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XV 2.5 無軸承電機(jī)的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.5.1 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 2-3 所示。 圖 2-3 電磁軸承定子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)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(jì)線路通道，同時(shí)也減少加工工序。 2.5.2 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(gè)傳感器差動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位移，因此，在同一個(gè)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 2-4 所 示。 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XVI 圖 2-4 傳感器支架 傳感器支架的四個(gè)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(shí)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(gè)孔需要一定的同軸度與垂直度要求。 圖 2-5 基準(zhǔn)環(huán) 轉(zhuǎn)子的位移信號(hào)是通過傳感器基準(zhǔn)環(huán)傳遞給傳感器的，故對(duì)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 2-5 所示。 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XVII 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 7 8 級(jí)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IT6 IT7,表面粗糙度要求aR0.8 0.2 m ，一般采用精細(xì)車或者磨削加工。 2.5.3 缸筒 缸筒用于支撐電磁軸承機(jī)械系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的電動(dòng)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 2-7 。 外缸筒旨在使裝入的電機(jī)與端蓋連接為一個(gè)整體，故結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越好。本文采用了最簡(jiǎn)單的圓筒型，為了安裝吊環(huán)，特作了一個(gè)吊環(huán)凸臺(tái)。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(jí)。其次，其兩端面同上述端蓋的端面要求，即端面徑向跳動(dòng) 8 級(jí)。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(jiǎn)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(jiǎn)單的在內(nèi)部開通槽的結(jié)構(gòu)?？绽洳叟c前后端蓋上的通氣孔相連，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外空氣交替轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的的空氣冷卻。這種結(jié)構(gòu)比在外表面開螺旋槽的結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益高。但是，只適用于電機(jī)殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XVIII 在低轉(zhuǎn)速的情況下。在電機(jī)超高速運(yùn)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 2-7 (A) 外缸筒 （ B）內(nèi)缸筒 2.5.4 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 2-8 所示。 圖 2-8 2.5.5 電磁軸承端蓋 端蓋用于支撐輔助軸承以及固定缸筒，冷卻空氣和導(dǎo)線均從后端蓋進(jìn)入，因此殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XIX 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，見圖 2-6 。 （ A） （ B） 圖 2-6 （ A）前端蓋 （ B）后端蓋 由上圖可知，這種端蓋結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，無須設(shè)計(jì)專門夾具，直接可以在銑床和磨床的自帶夾具上生產(chǎn)。由于該零件的配合內(nèi)端面有 8 級(jí)的徑向跳動(dòng)，故須在粗銑殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XX 之后磨一下。另外，前端蓋與軸配合，后端蓋與軸向傳感器配合，故都存在圓柱度誤差（ 7 級(jí)）和徑向跳動(dòng)（ 7 級(jí)），需鏜孔，表面粗糙度aR6.3。 第三章 磁懸浮軸承的工作原理及數(shù)學(xué)建模 3.1 引言 磁軸承按照磁力的提供方式可分為主動(dòng)磁軸承、被動(dòng)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(dòng)磁軸承中的電磁鐵來產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，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(gè)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(gè)徑向磁軸承和一個(gè)軸向磁軸承來分別控制徑向、軸向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度的穩(wěn)定懸浮，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 3-1（ A），這三個(gè)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(gè)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(gè)減為兩個(gè)，去掉了一個(gè)獨(dú)立的軸向磁軸承，使整個(gè)系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化，減小了系統(tǒng)體積和軸向長(zhǎng)度，從而可以提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、同時(shí)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(jì)大大縮短了轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度，使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)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(chǎng)解耦功能，在此基礎(chǔ)之上就可以應(yīng)用 獨(dú)立控制方法來實(shí)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(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)子的整體懸浮。 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXI （ A）傳統(tǒng)磁軸承系統(tǒng) （ 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(gè)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(gè)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(jì)。 3.2.1 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(duì)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(diǎn)在于： 兩個(gè)磁軸承合為一個(gè)，結(jié)構(gòu)更緊湊，軸向利用率和軸承剛度殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXII 顯著提高，可突破大功率和超高轉(zhuǎn)速限制，并可實(shí)現(xiàn)微型化： 磁軸承軸向長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)五自由度懸?。?用于控制懸浮的功率電路大為減少，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)； 混合磁軸承獨(dú)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。 3.2.2 磁軸承的偏磁回路 在永磁偏置的電磁軸承中，偏置磁場(chǎng)是由永磁體提供的，而電磁鐵提供控制磁場(chǎng)，產(chǎn)生控制磁場(chǎng)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。 3.2.3 磁軸承的控制回路 控制回路是電磁軸承系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項(xiàng)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。 3.2.3.1 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(shì)在于易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律、易于修改，但存在時(shí)間延遲較大的缺點(diǎn)。 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(jì)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。 3.2.3.2 功率放大器 功率放大器是電磁軸承系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它與采用的控制直接有關(guān)，同時(shí)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(gè)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。 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXIII 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。 3.2.3.3 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(duì)系統(tǒng)的控制精度起決定作用。其反饋信號(hào)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(hào)。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。 由于電磁鐵線圈電感的影響使電流產(chǎn)生滯后，勢(shì)必影響到系統(tǒng)的各項(xiàng)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(duì)位移傳感器的第一個(gè)要求是非接觸式的，進(jìn)一步說，這種傳感器必須能夠測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)此目的。 電磁軸承對(duì)傳感器的要求還有：能真實(shí)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(shí)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(chǎng)吸力作 用下處于懸浮的平衡位置 (中間位置 ) , 這個(gè)位置也稱為參考位置。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)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(shí)若不計(jì)重力則兩氣隙處對(duì)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(gè)向下的外擾 , 轉(zhuǎn)子就會(huì)偏離其參考位置向下殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXIV 運(yùn)動(dòng) , 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21 pp , 故由磁場(chǎng)吸力與磁通的關(guān)系可得轉(zhuǎn)子受到的吸力變?yōu)?F1F2。此時(shí)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離其參考位置的位移 , 控制器 將這一位移信號(hào)變換成控制信號(hào) , 功率放大器又將該控制信號(hào)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)子上方氣隙 1-1 處與永磁磁通1p疊加時(shí) , 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)閗p 1；磁通k在轉(zhuǎn)子下方氣隙 2-2 處與永磁磁通2p疊加時(shí) , 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)閗p 2。當(dāng)k (12 pp )/2 時(shí) , 兩氣隙處產(chǎn)生的吸力又變?yōu)?F1 F2 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)。 3.3.1 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 3-3，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(shí)軸向兩個(gè)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 3-3 永磁偏置徑向 軸向磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖 別對(duì)置的兩個(gè)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(shí)，轉(zhuǎn)子在永久磁鐵產(chǎn)殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXV 生的靜磁場(chǎng)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(duì)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(gè)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(chǎng)，采用單極性結(jié)構(gòu)使偏置磁場(chǎng)在徑向和軸向氣隙流出（入）轉(zhuǎn)子，消除了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)的磁滯損耗。利用永磁體代替電磁鐵提供偏置磁通后具有如下優(yōu)點(diǎn)： 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(zhǎng)度范圍內(nèi)，磁懸浮力的剛度系數(shù)更接近于常數(shù)； 每個(gè)自由度只需一個(gè)功率放大器，使系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)、成本降低。 該磁軸承的整體設(shè)計(jì)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(shí)，環(huán)型永磁體在軸向氣隙處產(chǎn)生的偏置磁通相等，同時(shí)在四個(gè)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(shí)，永磁偏置磁場(chǎng)對(duì)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(gè)主動(dòng)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(gè)方向的磁通增強(qiáng)，在另一個(gè)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 3-4 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。殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXVI 圖 3-4 軸向磁軸承的磁路圖 圖 3-5 徑向磁軸承的磁路圖 徑向和軸向混合磁軸承在 3 個(gè)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(shí)，磁軸承轉(zhuǎn)子在永久磁鐵產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)吸力下處于懸浮的中間位置，也稱這個(gè)位置為參考位置。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)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(shí)左右吸力相等。如果在此平衡位置時(shí)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向右的外擾力，轉(zhuǎn)子就會(huì)偏離參考位置向右運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)吸力與磁通的關(guān)系可得： ZP M ZZZZ SSF02 102 11 (2-1) ZP M ZZZZ SSF02 202 22 (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； ZS 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(yùn)動(dòng)，此時(shí)傳感器檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)變成控制信號(hào)，功率放大器又將此控制信號(hào)變換成控制電流 i，這個(gè)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(lì)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 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXVII z2= 2PMZ + ZEM ；勵(lì)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 Fz2 Fz1，使轉(zhuǎn)子回到參考位置的條件為： 2 21 P M ZP M ZZ EM (2-3) 如果轉(zhuǎn)子受到一個(gè)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)論。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向右或向左的外擾動(dòng) , 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(lì)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。 3.4 永磁偏置軸向徑向磁軸承的建模 為方便起見，先對(duì)后面用到的符號(hào)作如下的規(guī)定： S 單個(gè)磁極的截面積（ 2m ）； D 定子的內(nèi)徑（ m）； d 轉(zhuǎn)子的外徑 （ m）； 0g 半徑氣隙，0g=（ D-d） /2； x 轉(zhuǎn)子位移； b 磁軸承的軸向長(zhǎng)度（ m）； 0 氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度（ T）； S 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（ T）； I 繞組的勵(lì)磁控制電流（ A）； N 單個(gè)磁極勵(lì)磁線圈的匝數(shù)。 3.4.1 磁路計(jì)算的基本定律和公式羅列 設(shè)磁路是一均勻截面為 S，長(zhǎng)度為 L，鐵磁材料的磁導(dǎo)率為 的回路，則有 H=B/ （ 3-4） 式中 HBr 0，真空磁導(dǎo)率 mH70 104 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXVIII SB （ 3-5） LINH (安培定律 ) （ 3-6） 磁路歐姆定律 mRF（ 3-7） 式中 F為磁動(dòng)力，mR為磁阻， sRm 1磁路克稀荷夫定律（克氏定律）： INHL （ 3-8） 當(dāng)有氣隙時(shí)： gGHLg , 氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度0BH g 。上式中 g為氣隙長(zhǎng)度，gH為氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度。 麥克斯韋方程： SBF 2 （ 3-9） 3.4.2 永磁偏置徑向軸向磁軸承的等效磁路分析 永磁偏置徑向軸向磁軸承是由永磁鐵提供偏置磁場(chǎng)，由控制線圈來提供徑向、軸向控制磁場(chǎng)的新型磁軸承，其磁路是由永久磁鐵、電勵(lì)磁磁鐵、軟磁材料和空氣隙組成。永久磁鐵是提供偏置磁場(chǎng)的磁勢(shì)源（或磁通源），它直接影響到磁軸承的各靜、動(dòng)態(tài)特性。出于永久磁鐵 本身磁特性之間的關(guān)系比較復(fù)雜，因此永磁偏置磁軸承的磁路分析比較復(fù)雜。 為了簡(jiǎn)化磁路計(jì)算，首先對(duì)永磁偏置徑向 -軸向磁軸承磁路結(jié)構(gòu)作如下假設(shè) ： 采用徑向充磁的永磁環(huán)體提供軸向和徑向偏置磁通，只考慮永磁體兩端面漏磁，即將整個(gè)磁路系統(tǒng)看作由一個(gè)漏磁磁阻與有效磁路系統(tǒng)的并聯(lián)系統(tǒng)； 整個(gè)有效磁路系統(tǒng)只考慮工作氣隙的磁阻，不考慮鐵芯磁阻和轉(zhuǎn)子磁阻； 忽略磁性材料的磁滯和渦流，不計(jì)邊緣效應(yīng)。 這樣得到徑向 -軸向磁軸承等效磁 路圖如圖 2-6 所示。 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXIX 圖 3-6 徑向 -軸向磁軸承等效磁路圖 圖 3-6 中 , Fm 是永磁體對(duì)外提供的磁動(dòng)勢(shì)， m是永磁體發(fā)出的總磁通， s 是總的漏磁通，漏磁導(dǎo)是 Gs，兩個(gè)軸向氣隙的磁導(dǎo)分別是 Gz1 和 Gz2， Nz是軸向控制線圈的匝數(shù)，流過電流 iz，徑向 4 個(gè)氣隙磁導(dǎo)分別是 Gx1， Gx2， Gy1， Gy2； Nxy 是徑向控制線圈匝數(shù)，流過電流 ix 和 iy。 設(shè) Zg 是轉(zhuǎn)子處于平衡位置時(shí)軸向氣隙長(zhǎng)度，xyg是徑 向氣隙長(zhǎng)度，本文中取 Zg =xyg=0g， x， y 是轉(zhuǎn)子的徑向偏移量， z 是轉(zhuǎn)子的軸向偏移量，0是空氣的磁導(dǎo)率， ZS 是軸向磁極截面積，xyS是徑向各磁極截面積，則得到各氣隙處磁導(dǎo)： ygSGxgSGzgSGxyxyyxyxyxZZZ010101ygSGxgSGzgSGxyxyyxyxyxzzz020202（ 3-10） 如果轉(zhuǎn)子處于平衡位置，此時(shí) 3 個(gè)自由度的偏移量為 0，即： x = y = z = 0, 則從式 (3-10)可以得到： 01201 2 1 2zzzzxyx x y y x yxySGGgSG G G G Gg （ 3-11） 根據(jù)磁路的克希荷夫定律： 0F 和 0i，列出磁路的磁動(dòng)勢(shì)、磁通的平衡方程式，求解出各支路中的磁通如下： 殷友峰 無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制 XXX 1 2 2 1 2111 2 2 1 1221 2 2 1 2112 ( ) ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( 2 ) m