無(wú)軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-08-23 16:57 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。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(wú)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。（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(guò)渡配合外，其余不是間隙配合就是無(wú)須配合，故而大多零件無(wú)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(guò)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。 無(wú)軸承電機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)軸承電機(jī)磁懸浮軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)磁懸浮軸承的選擇磁懸浮軸承種類(lèi)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(lèi)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(lèi)。其中AMB利用電磁鐵產(chǎn)生可控的電磁力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮；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(lèi)磁軸承本身的研究在國(guó)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(wú)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(lèi)軸承。分析現(xiàn)今此類(lèi)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。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(lái)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理，設(shè)計(jì)其總體結(jié)構(gòu)如下圖21 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(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(wú)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(lái)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(lái)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(wèn)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。 無(wú)軸承電機(jī)的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(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(lèi)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?？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(guò)，無(wú)須專門(mén)設(shè)計(jì)線路通道，同時(shí)也減少加工工序。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(wú)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23 所示。圖23 傳感器支架傳感器支架的四個(gè)方向不但開(kāi)了傳感器支撐孔，而且挖空一塊，一來(lái)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24 基準(zhǔn)環(huán)轉(zhuǎn)子的位移信號(hào)是通過(guò)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(wèn)題，加工要求較高。其結(jié)構(gòu)如圖24 所示?；鶞?zhǔn)環(huán)只是傳遞旋轉(zhuǎn)信息，故結(jié)構(gòu)不須太過(guò)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～I(xiàn)T7,～，一般采用精細(xì)車(chē)或者磨削加工。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25 。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，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(jiàn)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(kāi)螺旋槽水冷和在內(nèi)表面開(kāi)空冷槽等多種方式。本文采用最簡(jiǎn)單的在內(nèi)部開(kāi)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(kāi)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)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25 (A) 外缸筒 （B）內(nèi)缸筒轉(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26 所示。圖26第三章 磁懸浮軸承的工作原理 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(lái)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
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