無軸承電機的結(jié)構(gòu)設計-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 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 個自由度上的工作原理是一樣的。參考圖34，當軸向穩(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)磁場吸力與磁通的關系可得： (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，在轉(zhuǎn)子左面的Z2 處由勵磁磁通和永磁磁通的流向相同，與永磁磁通疊加，使氣隙Z2 處總的磁通增加，即Φz2=+；勵磁磁通在右面氣隙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Φz1=。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)子受到一個向左的外擾力，可以用類似的方法進行分析，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。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)學模型，并通過該磁軸承的承載力公式及相關電機設計經(jīng)驗公式推得設計該磁軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)設計方案，且以具體實例演示了該磁軸承參數(shù)設計的一般計算過程。（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)設計方法，給出了PID控制器的基本設計過程和設計原則。通過這次設計，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)化設計是需要更進一步研究的內(nèi)容。（2）本文為簡單起見，選用PID控制器對控制系統(tǒng)進行綜合校正，存在啟動回繞現(xiàn)象和微分突變現(xiàn)象，應在后續(xù)的工作中采用偽微分控制策略設計控制系統(tǒng)。經(jīng)過這次畢業(yè)設計，我的收獲不小。由于本次設計的無軸承電機是較先進的機電一體化產(chǎn)品，運用到控制理論、電磁學理論、電子理論、機械設計等許多方面的知識，涉及面很廣。因此，通過一次設計，不僅鞏固了本專業(yè)的基礎知識，并且學到了許多有關電子信息方面的知識，兼培養(yǎng)了自己的綜合設計能力。由于本人水平有限，時間倉促，文中難免有錯誤和不足之處，敬請老師及同學諒解并予以指正。致謝在本次畢業(yè)設計過程中，我得到了指導老師的悉心指導，在整個設計過程中，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的很多幫助；同時在資料復印及論文成稿方面，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！參考文獻［１］ 鄧智泉，嚴仰光，“無軸承交流電動機的基本理論和研究現(xiàn)狀”，《電工技術(shù)學報》，2003年4月，第15卷第2期［２］ 鄧智泉，何禮高，嚴仰光，“無軸承交流電動機的原理及應用”，《機械科學與技術(shù)》， 2005年9月，第21卷第5期［３］ 朱熀秋，鄧智泉，嚴仰光，袁壽其，“無軸承電機的研究原理及研究現(xiàn)狀”，《微電機》，2002年，第6期［４］ 朱熀秋，“無軸承電動機軸向磁軸承參數(shù)設計與控制系統(tǒng)研究”，《電工技術(shù)學報》，2004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)狀及關鍵技術(shù)”，《中國機械工程》，2003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》，2002年4月［７］ 鄧智泉，張宏全，王曉琳，嚴仰光，“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)設計”《中國電機工程學報》，2002年9月，第22卷第9期［９］ 王曉琳，鄧智泉，嚴仰光，“一種新型的五自由度磁懸浮電機”，《南京航空航天大學學報》，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”，《南京師范大學學報（工程技術(shù)版）》，2003年，第
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