【文章內(nèi)容簡介】 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)計的磁懸浮電動機為臥式結(jié)構(gòu)，主軸直徑小，根 據(jù)經(jīng)驗，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。 7 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。 無軸承電機 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。 該電機在結(jié)構(gòu)上的主要特點有： （ 1）電機軸向以電機定子為定位基準，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）多采用標準件，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，即將電機的轉(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)，從而進一步提高了測量精度。 8 無軸承電機主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 無軸承電機磁懸浮軸承總體結(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 Magic Bearing，簡稱 AMB）、被動磁軸承（ Passive Magic Bearing，簡稱PMB）和混合磁軸承（ Hybrid Magic 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。 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 21 所示 9 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 21 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，從而縮短了電機主軸的跨距，增大電機的扭矩及輸出功率。 10 無軸承電機的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 22 所示。 圖 22 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)，參照電機定子結(jié)構(gòu)設(shè)計即可?？紤]到電機尺寸較小，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。 傳感器支架及其基準環(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 23 所示。 11 圖 23 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 24 基準環(huán) 轉(zhuǎn)子的位移信號是通過傳感器基準環(huán)傳遞給傳感器的，故對傳感器基準環(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 24 所示。 12 基準環(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 級之內(nèi)，一般采用精鏜加工。其次其外圓表面加工精度要達到IT6～ IT7,表面粗糙度要求 aR ～ m? ，一般采用精細車或者磨削加工。 缸筒 缸筒 用于支撐電磁軸承機械系統(tǒng)及驅(qū)動轉(zhuǎn)子的電動機等，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 25 。 外缸筒旨在使裝入的電機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 ，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定子、磁軸承定子、傳感器支架以及定位軸套和為電機散熱的作用。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，實現(xiàn)內(nèi)外空氣交替轉(zhuǎn)換，從而實