【正文】 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 19 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： ⑴ 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； ⑵ 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)； ⑶ 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 33 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 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， 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。 圖 33 軸向磁軸承的磁路圖 圖 34 徑向磁軸承的磁路圖 20 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： ZP M ZZZZ SSF02 102 11 ?? ???? (21) ZP M ZZZZ SSF02 202 22 ?? ???? (22) 式中 Fz Fz2 分別為吸力盤左、右面受到的電磁吸力； Ф z Ф 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 Φz2= 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 Φ z1= 1PMZ? ZEM? 。 根據(jù)吸力公式 (21)和 (22)，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 E M ????? (23).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。 21 第四章 結(jié)論 為了減小磁軸承電機的軸向長度、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)與電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總體描繪出無軸承電機的總體結(jié) 構(gòu)草圖，繼而從總體結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計無軸承電動機的主要零件結(jié)構(gòu)，并附帶介紹了一些加工工藝。 （ 2）基于前一章設(shè)計的磁軸承結(jié)構(gòu)，闡述了磁軸承的基本工作原理，有針對性的研究了一種新型永磁偏置徑向軸向磁軸承的工作機理；采用等效磁路法建立了該磁軸承的數(shù)學(xué)模型，并通過該磁軸承的承載力公式及相關(guān)電機設(shè)計經(jīng)驗公式推得設(shè)計該磁軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方案，且以具體實例演示了該磁軸承參數(shù)設(shè)計的一般計算過程。 （ 3）由于永磁偏置徑向軸向磁軸承的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，尤其要提高控制轉(zhuǎn)速來充分發(fā)揮這種磁軸承的優(yōu)勢，使得控制系統(tǒng)需要較好的抗干擾能力 和一定的穩(wěn)定性。本文闡述了 PID 控制理論的基本原理，并將其用于永磁偏置徑向軸向磁軸承的控制研究，通過前一章的參數(shù)，結(jié)合基于根軌跡法的 PID 控制參數(shù)設(shè)計方法，給出了 PID 控制器的基本設(shè)計過程和設(shè)計原則。 通過這次設(shè)計，不難發(fā)現(xiàn)，本文的研究工作取得了一些階段性、結(jié)論性的結(jié)果，但同時也還存在許多不足之處，今后還需要研究的工作有： （ 1）對于無軸承電機和永磁偏置徑向軸向磁軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計中考慮不夠全面，對于其整體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是需要更進(jìn)一步研究的內(nèi)容。 （ 2）本文為簡單起見，選用 PID 控制器對控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合 校正，存在啟動回繞現(xiàn)象和微分突變現(xiàn)象，應(yīng)在后續(xù)的工作中采用偽微分控制策略設(shè)計控制系統(tǒng)。 經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計，我的收獲不小。由于本次設(shè)計的無軸承電機是較先進(jìn)的機電一體化產(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。 22 致謝 在本次畢業(yè)設(shè)計過程中，我得到了指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)，在整個設(shè) 計過程中，老師知識淵博、平易近人以及工作忘我等，都給我留下了深刻的印象，在論文完成之際，我首先要向 XX老師表示最最忠心的感謝！ 此外，我還得到了同組及同班同學(xué)的很多幫助；同時在資料復(fù)印及論文成稿方面，機房的各位老師給予了很大的幫助，在此，一并向他們表示最誠摯的感謝！ 23 參考文獻(xiàn) ［１］ 鄧智泉，嚴(yán)仰光，“無軸承交流電動機的基本理論和研究現(xiàn)狀”，《電工技術(shù)學(xué)報》， 2021 年 4 月，第 15 卷第 2 期 ［２］ 鄧智泉，何禮高，嚴(yán)仰光，“無軸承交流電動機的原理及應(yīng)用”，《機械科學(xué)與技術(shù)》， 2021年 9月，第 21 卷第 5 期 ［３］ 朱熀秋，鄧智 泉，嚴(yán)仰光，袁壽其，“無軸承電機的研究原理及研究現(xiàn)狀”，《微電機》， 2021年，第 6期 ［４］ 朱熀秋，“無軸承電動機軸向磁軸承參數(shù)設(shè)計與控制系統(tǒng)研究”，《電工技術(shù)學(xué)報》， 2021 年 6月，第 17卷第 3期 ［５］ 曾勵，陳飛，宋愛平，黃民雙，“動力磁懸浮軸承的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)”，《中國機械工程》， 2021年 11 月，第 12卷第 11 期 ［６］ 曾勵，陳飛，宋愛平，“動力磁懸浮軸承原理”，《現(xiàn)代制造工程》，2021年 4月 ［７］ 鄧智泉，張宏全，王曉琳，嚴(yán)仰光，“基于氣隙磁場定向的無軸承異步電機非線性解耦控制”，《中國航空學(xué)報（英文版）》， （ 1）： 38～ 43 ［８］ 朱熀秋，鄧智泉，袁壽其，李冰等，“永磁偏置徑向－軸向磁懸浮軸承工作原理和參數(shù)設(shè)計 ” 《中國電機工程學(xué)報》， 2021年 9月，第 22 卷第 9期 ［９］ 王曉琳，鄧智泉，嚴(yán)仰光，“一種新型的五自由度磁懸浮電機 ” ，《南京航空航天大學(xué)學(xué)報》， 2021 年 4月，第 36卷第 2 期 ［１０］ 王懷穎，“永磁偏置的磁力軸承的研究”，《南京師范大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版）》， 2021 年，第 3卷第 1期