设计(东南大学计算机网络与安全)

毕业设计报告论文

课题名称

专 业 机电

学生姓名 指导教师

起讫日期

设计地点

摘 要

为了减小磁轴承电机的轴向长度、提高临界转速、缩小系统体积和提高系统的可靠性，实现磁轴承的集成化、小型化，本文针对无轴承电机的一种新型的永磁偏置径向轴向磁轴承进行了初步的研究。

在我们日常生活中精密数控机床、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。

经过这次毕业设计，我的收获不小。由于本次设计的无轴承电机是较先进的机电一体化产品，运用到控制理论、电磁学理论、电子理论、机械设计等许多方面的知识，涉及面很广。因此，通过一次设计，不仅巩固了本专业的基础知识，并且学到了许多有关电子信息方面的知识，兼培养了自己的综合设计能力。由于本人水平有限，时间仓促，文中难免有错误和不足之处，敬请老师及同学谅解并予以指正。

目 录

第一章1

1.1 无轴承电机的研究意义与现状1

1、无轴承电机的研究意义1

2、无轴承电机的研究现状3

2.1 无轴承电机的发展状况3

2.2 无轴承电机的关键技术的研究现状3

2.3 无轴承电机的应用现状4

第二章 机械结构的设计5

2.1 引言5

2.2 无轴承电机的系统设计5

1、转轴部件主要结构尺寸的设计6

2、主轴上零件的布置6

2.3无轴承电机的总体结构设计7

2.4 无轴承电机主要零部件的结构设计7

1、无轴承电机磁悬浮轴承总体结构设计7

2、永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计8

2.5 无轴承电机的主要零件结构设计9

1、电磁轴承的定子与转子9

2、传感器支架及其基准环10

3、缸筒11

4、转轴13

第三章 磁悬浮轴承的工作原理14

3.1 引言14

3.2 磁轴承的组成15

1、磁轴承的机械系统15

2、磁轴承的偏磁回路15

3、磁轴承的控制回路16

3.1 控制器16

3.2 功率放大器16

3.3 传感器16

3.3 磁轴承的基本工作原理17

1、永磁偏置径向轴向磁轴承的基本结构和工作原理18

第四章 结论21

致谢22

第一章

1.1 无轴承电机的研究意义与现状

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