无轴承电机的构与悬浮控制设计.doc

毕业设计 设计题目： 无轴承电机的结构 与悬浮控制 系 别：机械工程系 专 业：机械制造工艺及设备 及计算机应用 班 级：01机/计（1） 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成时间：05年6月 目录 绪论·················································1 1.1 无轴承电机的研究意义与现状···································1 1.2论文的提出及论文的内容安排···································4 第二章 机械结构的设计·······································6 2.1 引言·····················································6 2.2 无轴承电机的系统设计········································6 2.3无轴承电机的总体结构设计·····································8 2.4 无轴承电机主要零部件的结构设计·······························9 2.5 无轴承电机的主要零件结构设计································11 第三章 磁悬浮轴承的工作原理及数学建模······················17 3.1 引言·····················································17 3.2 磁轴承的组成··············································18 3.3 磁轴承的基本工作原理·······································19 3.4 永磁偏置轴向径向磁轴承的建模································23 3.5 混合磁轴承的具体参数设计····································32 第五章 结论···············································36 致谢·······················································37 参考文献···················································38 第一章 绪论 1.1 无轴承电机的研究意义与现状 1.1.1 无轴承电机的研究意义 一些精密数控机床、涡轮分子泵、小型发电机或高速飞轮储能等装备中需要用大功率的高速超高速电动机（以下简称为电机）来驱动。我们知道，电机高速运转对机械轴承振动冲击大，机械轴承磨损快，大幅度缩短了轴承和电机使用寿命，为此用机械轴承来支承高速电机严重制约着电机向更高速度和更大功率方向发展。近 20 多年来发展起来的磁轴承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。图 1－1 是由磁轴承支承的高速电机结构示意图。磁轴承支承的电机虽然具有突出的优点，但在不同的应用领域依然存在如下问题： ① 电机的转速和输出功率难以进一步提高； ② 磁轴承需要高性能的控制器、功率放大器和多个造价较高的精密位移传感器等，使磁轴承结构较为复杂、体积较大和成本较高，大大制约了由磁轴承支承的高速电机的使用范围和广泛应用。 图1－1 磁轴承支撑的电机结构图 所谓无轴承电机（Bearingless Motor or Self-bearing Motor）与径向悬浮力绕组产生磁场极对数的关系为: =，悬浮力绕组产生的磁场和电机定子绕组（或永磁体）产生的磁场合成一个整体，通过探索驱动电机转动的旋转力和径向悬浮力耦合情况以及解耦方法，独立控制电机的旋转和转子的稳定悬浮，实现电机的无轴承化。 图1-2 无轴承电机的结构示意图 无轴承电机一方面保持磁轴承支承的电机系统寿命长、无须润滑、无机械摩擦和磨损等优点外，还有望突破更高转速和大功率的限制，拓宽了高速电机的使用范围，与磁轴承支撑的高速电机相比具有下列优点： ① 径向悬浮力绕组叠加到电机的定子绕组上，不占用额外的轴向空间。一方面，电机轴向长度可以设计得较短，临界转速可以较高，电机转速仅受材料强度的限制，这样无轴承电机大大拓宽了高速电机的应用领域，特别是在体积小、转速高和寿命长的应用领域，如要求无粉尘、无润滑、小体积环境工作的计算机硬盘驱动器、微型高速机床等；另一方面，在同样长度的电机转轴情况下，输