無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制畢業(yè)論文

李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制III畢業(yè)設(shè)計設(shè)計題目無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制IV目錄第一章緒論111無軸承電機(jī)的研究意義與現(xiàn)狀112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621引言622無軸承電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計623無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計824無軸承電機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計925無軸承電機(jī)的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計11第三章磁懸浮軸承的工作原理及數(shù)學(xué)建模1731引言1732磁軸承的組成1833磁軸承的基本工作原理1934永磁偏置軸向徑向磁軸承的建模2335混合磁軸承的具體參數(shù)設(shè)計32第五章結(jié)論36致謝37參考文獻(xiàn)38李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制V第一章緒論11無軸承電機(jī)的研究意義與現(xiàn)狀111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(yùn)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（MAGNETICBEARING，是利用磁場力將轉(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(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)（BEARINGLESSMOTORORSELFBEARINGMOTOR），并不是說不需要軸承來支承，而是不需單獨(dú)設(shè)計或使用專門的機(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李聚恒無軸承電機(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12，保證電機(jī)定子等效繞組產(chǎn)生的磁場極對數(shù)1P與徑向懸浮力繞組產(chǎn)生磁場極對數(shù)2P的關(guān)系為1P2P1，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(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12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(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(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，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，廣闊李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制VII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(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。112無軸承電機(jī)的研究現(xiàn)狀1121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，這個概念最初是由瑞士RBOSCH于20世紀(jì)80年代末提出來的，在瑞士的JBICHSEL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TOHISHI等人對無軸承永磁電機(jī)（INTERNALPERMANETMAGNE）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RSCHOB和NBARLETTA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80000RPM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，對無軸承電機(jī)的研究成果還未進(jìn)行公開報道。1122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)李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制VIII計有效而實(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(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，需要對多個磁鏈?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)磁場的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動和幅值恒定，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(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(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態(tài)解耦，是無軸承交流電機(jī)的研究重要課題之一。1123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(shí)驗(yàn)樣機(jī)。無軸承感應(yīng)電機(jī)已用于密封泵（CANNEDPUMP）、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。12論文的提出及論文的內(nèi)容安排李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制IX121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。而我國對這一技術(shù)的研究尚不成熟，針對這種情況，我們在畢業(yè)設(shè)計中選擇了這一課題。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。對于一個典型的無軸承電機(jī)來說，它主要由機(jī)械、檢測、控制三大主要部分組成，而控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，而合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計又是保證承載能力要求和運(yùn)行穩(wěn)定可靠的前提，所以，本論文主要對機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計。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（機(jī)械部分）及控制系統(tǒng)為主要研究對象，設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行簡要的分析。122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。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，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算。第四章對系統(tǒng)性能指標(biāo)和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，按照性能參數(shù)的要求計算控制參數(shù)并設(shè)計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)，并對未來的工作進(jìn)行展望。第二章機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計21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(shí)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)計過程中要李聚恒無軸承電機(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2NRS，其中R表示材料的密度，硅鋼片的密度為37800MKG，S表示材料的強(qiáng)度，查閱資料可知，硅鋼片的強(qiáng)度為3610310MN，從而可以確定轉(zhuǎn)子的最大直徑MD0630。（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0002M。（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。22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(dú)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)。221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的確定李聚恒無軸承電機(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D40MM。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(yàn)，取主軸全長為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。222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(diǎn)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(shí)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。23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41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。李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XII100圖21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(fèi)。（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。李聚恒無軸承電機(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。24無軸承電機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計241無軸承電機(jī)磁懸浮軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計2411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（ACTIVEMAGNETICBEARING，簡稱AMB）、被動磁軸承（PASSIVEMAGNETICBEARING，簡稱PMB）和混合磁軸承（HYBRIDMAGNETICBEARING，簡稱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(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。242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李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XIV理，設(shè)計其總體結(jié)構(gòu)如下圖22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22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。李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XV25無軸承電機(jī)的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計251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23所示。圖23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?？紤]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。252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24所示。李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XVI圖24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25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25所示。李聚恒無軸承電機(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AR0802MM，一般采用精細(xì)車或者磨削加工。253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27。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016MM，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)?？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)加工簡單，經(jīng)濟(jì)效益高。但是，只適用于電機(jī)李聚恒無軸承電機(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27A外缸筒（B）內(nèi)缸筒254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28所示。圖28255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，因此李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XIX結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，見圖26。（A）（B）圖26（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級的徑向跳動，故須在粗銑李聚恒無軸承電機(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）和徑向跳動（7級），需鏜孔，表面粗糙度AR63。第三章磁懸浮軸承的工作原理及數(shù)學(xué)建模31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(yùn)動，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度的穩(wěn)定懸浮，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖31（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(dú)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31（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(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)整個轉(zhuǎn)子的整體懸浮。李聚恒無軸承電機(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31兩種磁軸承系統(tǒng)的比較32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。321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(diǎn)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李聚恒無軸承電機(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。322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。323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(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。3231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(shí)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(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。3232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。李聚恒無軸承電機(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。3233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。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(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(shí)現(xiàn)此目的。電磁軸承對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，同時還要求有一定的頻率范圍。33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11處和轉(zhuǎn)子下方氣隙22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F1F2。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李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXIV運(yùn)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1PF減少下間隙減小,磁通2PF增加。由于21PPFF,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)镕1F2。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KF,該磁通在轉(zhuǎn)子上方氣隙11處與永磁磁通1PF疊加時,由于永磁磁通與電磁磁通流向相同,故使氣隙11處的總磁通增加,由原來的1PF變?yōu)镵PFF1；磁通KF在轉(zhuǎn)子下方氣隙22處與永磁磁通2PF疊加時,由于永磁磁通與電磁通流向相反,故使氣隙22處的總磁通減少,由原來的2PF變?yōu)镵PFF2。當(dāng)KF12PPFF/2時,兩氣隙處產(chǎn)生的吸力又變?yōu)镕1F2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)。331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33，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33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)李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXV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05MM。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(qiáng)、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(qiáng)，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34是軸向磁軸承的磁路圖，圖中PMF是永久磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通，ZEMF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35是徑向磁軸承的磁路圖，圖中標(biāo)明了X方向磁通的路徑，PMF是永久磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通，XEMF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。李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXVI圖34軸向磁軸承的磁路圖圖35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34，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(yùn)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2PMZF減少，右面的氣隙減少，使永磁體產(chǎn)生的磁通1PMZF增加。根據(jù)磁場吸力與磁通的關(guān)系可得ZPMZZZZSSF0210211MMFF21ZPMZZZZSSF0220222MMFF22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；0M為空氣的磁導(dǎo)率。在未產(chǎn)生控制磁通ZEMF之前，由于2PMZF1PMZF，故FZ2FZ1。由于外擾力使轉(zhuǎn)子向右運(yùn)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ZEMF，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2PMZF疊加，使氣隙Z2處總的磁通增加，即李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXVIIZ22PMZFZEMF；勵磁磁通ZEMF在右面氣隙Z2處，由于與永磁磁通1PMZF的流向相反，故在氣隙Z1處的總磁通減少為Z11PMZFZEMF。根據(jù)吸力公式21和22，要滿足FZ2FZ1，使轉(zhuǎn)子回到參考位置的條件為221PMZPMZZEMFFF23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)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。34永磁偏置軸向徑向磁軸承的建模為方便起見，先對后面用到的符號作如下的規(guī)定S單個磁極的截面積（2M）；D定子的內(nèi)徑（M）；D轉(zhuǎn)子的外徑（M）；0G半徑氣隙，0G（DD）/2；X轉(zhuǎn)子位移；B磁軸承的軸向長度（M）；0B氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；SB飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；I繞組的勵磁控制電流（A）；N單個磁極勵磁線圈的匝數(shù)。341磁路計算的基本定律和公式羅列設(shè)磁路是一均勻截面為S，長度為L，鐵磁材料的磁導(dǎo)率為M的回路，則有HB/M（34）式中HBRMMM0，真空磁導(dǎo)率MH70104PM李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXVIIISBF（35）LINH安培定律（36）磁路歐姆定律MRFF（37）式中F為磁動力，MR為磁阻，SRMM1磁路克稀荷夫定律（克氏定律）INHL（38）當(dāng)有氣隙時GGHLG,氣隙磁場強(qiáng)度0MBHG。上式中G為氣隙長度，GH為氣隙磁場強(qiáng)度。麥克斯韋方程MSBF2（39）342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，由控制線圈來提供徑向、軸向控制磁場的新型磁軸承，其磁路是由永久磁鐵、電勵磁磁鐵、軟磁材料和空氣隙組成。永久磁鐵是提供偏置磁場的磁勢源（或磁通源），它直接影響到磁軸承的各靜、動態(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。為了簡化磁路計算，首先對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，即將整個磁路系統(tǒng)看作由一個漏磁磁阻與有效磁路系統(tǒng)的并聯(lián)系統(tǒng)；整個有效磁路系統(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，不計邊緣效應(yīng)。這樣得到徑向軸向磁軸承等效磁路圖如圖26所示。李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXIX圖36徑向軸向磁軸承等效磁路圖圖36中,FM是永磁體對外提供的磁動勢，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)子處于平衡位置時軸向氣隙長度，XYG是徑向氣隙長度，本文中取ZGXYG0G，X，Y是轉(zhuǎn)子的徑向偏移量，Z是轉(zhuǎn)子的軸向偏移量，0M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)YGSGXGSGZGSGXYXYYXYXYXZZZ010101MMMYGSGXGSGZGSGXYXYYXYXYXZZZ020202MMM（310）如果轉(zhuǎn)子處于平衡位置，此時3個自由度的偏移量為0，即XYZ0,則從式310可以得到01201212ZZZZXYXXYYXYXYSGGGSGGGGGGMM（311）根據(jù)磁路的克希荷夫定律0F和0IF，列出磁路的磁動勢、磁通的平衡方程式，求解出各支路中的磁通如下李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXX1221211122112212212112222MZZZZZXYYYYXYXZXYXGXMZZZZZXYYYYXYXZXYXGXMZZZZZXYXXXXYYZYXYGYMZZZYFGNIGGNIGGNIGGGGGFGNIGGNIGGNIGGGGGFGNIGGNIGGNIGGGGGFGNIFFFF12211221212112121122222ZZXYXXXXYYZYXGYMXYXYXXXXYYYYZZXZYZGZMXYXYXXXXYYYYZZXZYZGZGGNIGGNIGGGGGFGGNIGGNIGGNIGGGGGFGGNIGGNIGGNIGGGGGFF（312）式中121212XXXYYYZZZGXYZGGGGGGGGGGGGG。343徑向軸向磁軸承的吸力方程現(xiàn)假設(shè)在3個方向上分別受到3個沿著坐標(biāo)軸正方向的外擾力，使得在3個方向上的偏移量分別為X,Y和Z,此時在沿3個坐標(biāo)軸負(fù)方向的合力為222102221022210222XXXXYYYYXYZZZZFSFSFSMMMFFFFFF（213）由式（313）可知，3個自由度的懸浮力就是偏差位置（X,Y,Z）和電流（ZYXIII,）的非線性函數(shù)。將式（313）進(jìn)行線性化處理得李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXXIYIXYYIXIXYXIZIZZIIKYKFIKXKFIKZKFXYXYXYXYZZ（314）式中220222022428ZXYZXYZXYXYZZZMZZIZXYZXYZZMZZGSSGGSGSGGFNSKGSSGGGFSKZMMZK稱為軸向位移剛度，ZIK為軸向電流剛度。2222022232222205ZXYXYZZXYXYZXYZXYMIZXYXYZZXYXYZXYXYZXYXYZMXYXYGSGSGSGGSSNFKGSGSGSGGSGSNGSFSKXYMMXYK稱為徑向位移剛度，XYIK稱為徑向電流剛度。式（314）就是永磁偏置徑向軸向磁軸承的懸浮力模型，作為后章設(shè)計控制器的基礎(chǔ)。344徑向軸向磁軸承在平衡位置的承載能力在平衡位置附近要使承載力最大，表達(dá)式310中分子要為最大值，使各氣隙磁通相疊加的一邊磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值MAXB，減少的一邊達(dá)到最小值0，此時混合磁軸承的承載能力最大。MAXB通常取軟磁材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度SB，這樣得1112220XYZXYSXYZSZBSBSFFFFFF（315）聯(lián)解式（311）、（312）和（315）得李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXXII002ZXYMSSSFBGM（316）根據(jù)式（313）、（315）和（316）得到混合磁軸承3個自由度上的最大承載力為220MAXMAX200220MAX2002222SXYMXYXYSZMZZBSFSFFGBSFSFGMMMM（317）345徑向軸向混合磁軸承參數(shù)設(shè)計3451氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度的設(shè)計當(dāng)轉(zhuǎn)子處在空載平衡位置時，轉(zhuǎn)子各氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度相等，等于永久磁鐵提供的偏置磁感應(yīng)強(qiáng)度0B。由徑向軸向混合磁軸承永磁磁路的基本方程可得0002MFBGM（318）比較式316在承載力最大時的表達(dá)式，得到02SBB（319）一般硅鐵材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度SB15T，因此設(shè)計時常取SB0608T。3452磁極面積的計算及氣隙長度的選取根據(jù)式316和式317，選定徑向或軸向的最大承載力，可以求得磁極的面積MAX0222XXYSZXYFSBSSM或MAX0222ZZSZXYFSBSSM（320）根據(jù)最大承載力條件（315），可以得到電磁鐵所需的安匝數(shù)00SXMYMZMBGNININIM（321）從上式可以知道，當(dāng)氣隙0G增大時，產(chǎn)生同樣大小的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，電磁鐵李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXXIII所需的安匝數(shù)MNI就增大，這樣需要增大繞線的空間，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械加工精度相對來說要求不高，但磁軸承的體積和重量會增加；如果減少0G，雖然安匝數(shù)MNI減少，但要求更高的加工精度。另外，依據(jù)式318，產(chǎn)生同樣大小的偏置磁場，所需永磁體的磁動勢與氣隙成正比。因此，在工程上，一般取0G015100MM，轉(zhuǎn)子的直徑小時0G相對取小值。本文系統(tǒng)取05MM。電磁軸承啟浮時，單邊氣隙大于理想工作氣隙，若設(shè)磁軸承的轉(zhuǎn)子與輔助軸承的半徑間隙為FX，則啟浮時有下面關(guān)系成立FX050G1G0G050G150G2G0G050G050G又由公式21GGSSTGRNIF以及SGRG9M可得0000012323MMMGBSGSBSGSBNISSSST（322）上式即為求取啟浮安匝數(shù)的計算式。3453永磁材料參數(shù)設(shè)計永磁體對外提供的磁動勢MF與所選的永久磁鐵去磁曲線有關(guān)。為了設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕的磁軸承，通常選取高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的永久磁鐵。當(dāng)所選的材料為鐵氧體或稀土鈷時，則去磁曲線接近于直線滿足2CMRMCMCFFFFFFF（323）式中RF為永久磁鐵的剩余磁通；MF為永久磁鐵外部磁路磁通；CF為永久磁鐵的矯頑磁勢；又根據(jù)混合磁軸承的永磁磁路的基本方程02MZSZBSBSF（324）李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXXIV在知道軟磁材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度SB后，再依據(jù)式320計算出的ZS，根據(jù)式324可以算出永磁體的外部磁路磁通MF，再由式321計算出MF值。最后由式322計算出永磁體的矯頑磁勢CF和永久磁鐵的剩余磁通RF。知道CF和RF后再由下面兩式可以確定永磁體的幾何尺寸。CMCRMRFFLHSBSF（324）式中F為磁阻系數(shù)的取值范圍為1115；S為漏磁系數(shù)取值范圍為210；RB為永磁體的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度；CH為永磁體的矯頑力；ML為永磁體的長度；MS為永磁體的磁路斷面積。3454電磁鐵的設(shè)計從本質(zhì)上來看,電磁鐵是一種把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電磁元件,在高頻電主軸系統(tǒng)中,電磁鐵主要提供懸浮轉(zhuǎn)子所需的電磁力設(shè)計電磁鐵就是在規(guī)定的技術(shù)條件基礎(chǔ)上,確定電磁鐵有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù),其中包括鐵心的幾何尺寸、線圈的尺寸、匝數(shù)和線徑等。保證電磁鐵能夠穩(wěn)定可靠的工作。按照勵磁電流的特點(diǎn)，可分為交流和直流電磁鐵。當(dāng)電磁鐵中通以正弦交流電時，磁路中的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度也是時間的正弦函數(shù)。交變磁場會在鐵芯中產(chǎn)生損耗，使鐵芯發(fā)熱，因此，交流電磁鐵的鐵芯是用硅鋼片疊成的。一般來說，直流電磁鐵的勵磁電流大小和方向不隨時間改變。由于沒有鐵芯損耗，所以，它的鐵芯可以用整塊的鑄鋼、軟鋼制成。直流電磁鐵的勵磁線圈在外加電壓一定時，若不考慮過渡過程，穩(wěn)態(tài)的線圈電流的大小不變，因而磁勢也不會發(fā)生變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于不同位置時，由于間隙變小，磁阻增大，電磁吸力也增大?；谏鲜鎏攸c(diǎn)和考慮電路設(shè)計的難易程度，最終選擇的是直流電磁鐵。同時，值得說明的是，本章所做的的各種分析都是在假定選擇了直流電磁鐵這一前提下進(jìn)行的。（1）線徑可由下式確定李聚恒無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)與懸浮控制XXXV04IDJP325其中J為電流密度，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)取J482AMM（2）磁極弧長及疊片厚度的計算為了簡便起見，采用等分的方法，每個磁極所占的角度取為32QO，則每個磁極的弧長為2DQ，而疊片厚度（即磁軸承的軸向長度）為磁極面積與弧長之比，計算如下105LDQ3261BSL327（3）窗口面積的計算窗口面積的計算可由下式求得2124WTCSKNDP328式中TCK為填充系數(shù)，一般為08。3455線圈的電阻和消耗的功率SP線圈的電阻R可通過公式比較精確的計算出來0011EEERLSRRAQR329式中EL為導(dǎo)線的總長度；1S為導(dǎo)線的截面積；ER為溫度系數(shù)；0123451CAO。線圈消耗的功率2