無軸承電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-資料下載頁
2025-07-27 16:57本頁面
【正文】 軸承的銅耗大大降低；⑵ 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)；⑶ 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33 是軸向磁軸承的磁路圖，圖中 是永久磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通， 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， 是永久磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁通， 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34，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 減少，右面的氣隙減少，使永磁體產(chǎn)生的磁通 增加。根據(jù)磁場(chǎng)吸力與磁通的關(guān)系可得： (21) (22)式中FzFz2 分別為吸力盤左、右面受到的電磁吸力；ФzФz2分別為左右氣隙處產(chǎn)生的合成磁通； 為軸向磁極的面積；為空氣的磁導(dǎo)率。在未產(chǎn)生控制磁通 之前，由于，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，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，與永磁磁通疊加，使氣隙Z2 處總的磁通增加，即Φz(mì)2=+；勵(lì)磁磁通在右面氣隙Z2 處，由于與永磁磁通 的流向相反，故在氣隙Z1處的總磁通減少為Φz(mì)1=。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： (23).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。第四章 結(jié)論為了減小磁軸承電機(jī)的軸向長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)磁軸承的集成化、小型化，本文針對(duì)無軸承電機(jī)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(gè)方面：（1）結(jié)合磁軸承系統(tǒng)與電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總體描繪出無軸承電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)草圖，繼而從總體結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)無軸承電動(dòng)機(jī)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(jì)的磁軸承結(jié)構(gòu)，闡述了磁軸承的基本工作原理，有針對(duì)性的研究了一種新型永磁偏置徑向軸向磁軸承的工作機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式推得設(shè)計(jì)該磁軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方案，且以具體實(shí)例演示了該磁軸承參數(shù)設(shè)計(jì)的一般計(jì)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(shì)，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(jì)方法，給出了PID控制器的基本設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)原則。通過這次設(shè)計(jì)，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(shí)也還存在許多不足之處，今后還需要研究的工作有：（1）對(duì)于無軸承電機(jī)和永磁偏置徑向軸向磁軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)中考慮不夠全面，對(duì)于其整體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是需要更進(jìn)一步研究的內(nèi)容。（2）本文為簡(jiǎn)單起見，選用PID控制器對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合校正，存在啟動(dòng)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(jì)控制系統(tǒng)。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我的收獲不小。由于本次設(shè)計(jì)的無軸承電機(jī)是較先進(jìn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，運(yùn)用到控制理論、電磁學(xué)理論、電子理論、機(jī)械設(shè)計(jì)等許多方面的知識(shí)，涉及面很廣。因此，通過一次設(shè)計(jì)，不僅鞏固了本專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，并且學(xué)到了許多有關(guān)電子信息方面的知識(shí)，兼培養(yǎng)了自己的綜合設(shè)計(jì)能力。由于本人水平有限，時(shí)間倉促，文中難免有錯(cuò)誤和不足之處，敬請(qǐng)老師及同學(xué)諒解并予以指正。致謝在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我得到了指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，老師知識(shí)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(shí)在資料復(fù)印及論文成稿方面，機(jī)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(chéng)摯的感謝！參考文獻(xiàn)［１］ 鄧智泉，嚴(yán)仰光，“無軸承交流電動(dòng)機(jī)的基本理論和研究現(xiàn)狀”，《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，2003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(dòng)機(jī)的原理及應(yīng)用”，《機(jī)械科學(xué)與技術(shù)》， 2005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(jī)的研究原理及研究現(xiàn)狀”，《微電機(jī)》，2002年，第6期［４］ 朱熀秋，“無軸承電動(dòng)機(jī)軸向磁軸承參數(shù)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究”，《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，2004年6月，第17卷第3期［５］ 曾勵(lì)，陳飛，宋愛平，黃民雙，“動(dòng)力磁懸浮軸承的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)”，《中國(guó)機(jī)械工程》，2003年11月，第12卷第11期［６］ 曾勵(lì)，陳飛，宋愛平，“動(dòng)力磁懸浮軸承原理”，《現(xiàn)代制造工程》，2002年4月［７］ 鄧智泉，張宏全，王曉琳，嚴(yán)仰光，“基于氣隙磁場(chǎng)定向的無軸承異步電機(jī)非線性解耦控制”，《中國(guó)航空學(xué)報(bào)（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(jì)”《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》，2002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(jī)”，《南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》，2004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(bào)（工程技術(shù)版）》，2003年，第
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