无轴承电机的结构设计.doc文档27页优秀范文

方面，电机轴向长度可以设计得较短， 临界转速可以限制，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。

图无轴承电机的结构示意图 无轴承电机方面 图磁轴承支撑的电机结构图 所谓无轴承电机，并不是说不 需要轴承来支承，而是不需单独设计或使用专门的机械轴承气浮或液浮轴承。

由 于磁轴承结构与交流电机定子结构的相似性，把磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠 加到电机的定子绕组上，构成无轴承电机二自由度见图，保证电机定子 等效绕组产生的磁场极对数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 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轴承体化，这个概念 最初是由瑞士于世纪年代末提出来的，在瑞士的实 现了同步电机的无轴承技术之后，无轴承电机的研究引起了重视。

目前瑞士日本 和美国等国家都大力支持开展这项高新技术的研究工作。

日本等人对无 轴承永磁电机进行了研究，其优点是能够产生强 大的悬浮力并易于控制，实验样机运行转速为瑞士的和 等人对无轴承的片状电机进行了研究，设计出的电机结构 紧凑，采用光电传感器测量转子的位移，数字控制器采用的是主频为机的研究现状 无轴承电机的发展状况 将磁轴承绕组和电机定子绕组叠加在起，实现电机和 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。

机二自由度见图，保证电机定子 等效绕组产生的磁场极对数与径向悬浮力绕组产生磁场由 于磁轴承结构与交流电机定子结构的相似性，把磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠 加到电机的定子绕组上，构成无轴承电 所谓无轴承电机，并不是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。

图磁轴承支撑的电机结构图部分内容简介题电机的转速和输出功率难以进步提高 磁轴承需要高性能的控部分内容简介题电机的转速和输出功率难以进步提高 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。

图磁轴承支撑的电机结构图 所谓无轴承电机，并不是说不 需要轴承来支承，而是不需单独设计或使用专门的机械轴承气浮或液浮轴承。

由 于磁轴承结构与交流电机定子结构的相似性，把磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠 加到电机的定子绕组上，构成无轴承电机二自由度见图，保证电机定子 等效绕组产生的磁场极对数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 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。

图无轴承电机的结构示意图 无轴承电机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。

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方面，在同 样长度的电机转轴情况下，输出功率将比磁轴承支承的电机有大幅度提高。

结 构更趋简单，维修更为方便，特别是电能消耗减少。

传统的磁轴承需要静态偏置电 流产生电磁力来维持转子稳定悬浮，而无轴承电机不再需要。

径向悬浮力的产生是 基于电机定子绕组产生的磁场，径向悬浮力控制系统的功耗只有电机功耗的 这些优点特别适用于航空航天等高科技领域。

基于无轴承电机高品质的性能，广阔 的应用前景，对提高机械工业制造装备的水平，特别是提高航空航天器工作性能无 疑具有现实和深远意义，其研究工作越来越受到国内外科技工作者的高度重视。

无轴承电机的研究现状 无轴承电机的发展状况 将磁轴承绕组和电机定子绕组叠加在起，实现电机和轴承体化，这个概念 最初是由瑞士于世纪年代末提出来的，在瑞士的实 现了同步电机的无轴承技术之后，无轴承电机的研究引起了重视。

目前瑞士日本 和美国等国家都大力支持开展这项高新技术的研究工作。

日本等人对无 轴承永磁电机进行了研究，其优点是能够产生强 大的悬浮力并易于控制，实验样机运行转速为瑞士的和 等人对无轴承的片状电机进行了研究，设计出的电机结构 紧凑，采用光电传感器测量转子的位移，数字控制器采用的是主频为的 作为单元，采用开关功率放大器驱动，最高转速达到 目前正在研究转速为无轴承片状电机。

我国已经开始重视研究无轴承电机，年国家自然科学基金资助了无轴承 电机的研究工作，南京航空航天大学江苏理工大学和沈阳工业大学得到了支持并 正在开展无轴承交流电机，查阅资料可知，硅钢片的强度为，从而可以确定转子的最大 直径。

在永磁偏置径向轴向磁轴承中的永磁体是个磁环。

为了满足机械加工 要求，考虑到永磁体的外形结构以及材料特性，在设计其尺寸时，需要限制其径 向厚度不能小于。

由于转子硅钢片是通过机械加工后，然后通过紧配合装配固定在转轴上 的，因此，在高速旋转的情况下，转子轴肩处的剪切应力是最集中的地方，必须考 虑转子轴肩处材料的剪切强度是否能够达到要求，因此要限制转轴的最小直径。

为了尽量减小漏磁，所以在永磁体与定子叠片的接触面上，永磁体的贴 合面要小于等于定子叠片的外圆柱面，以紧贴合于定子叠片外径。

在设计过程中，要注意控制线圈在外壳中的体积约束。

径向控制线圈的 截面积要小于定子槽面积。

轴向控制线圈的截面积要综合径向控制线圈截面积和外 壳的内腔面积来综合考虑，要使径向线圈和轴向线圈相互间不接触，也要考虑到径 向轴向磁路的走向尽可能的减少重叠，还要考虑到外壳的轴向长度尽可能的短， 以减少整个磁轴承部分的长度体积。

无轴承电机的系统设计 无轴承电机的结构设计与普通轴承电机的设计既有相同，又有不同之处。

普通 轴承电机的设计包括转轴的结构布置，轴径估算，跨距和悬伸量的确定，静态和动 态特性计算，外壳的结构和尺寸的确定，润滑油路及冷却通道的设计等。

在设计无 轴承电机的结构时，除了润滑油路，其他的都要考虑，另外还要单独设计普通电机 所没有的永磁偏置径向轴向磁轴承的具体结构，如永磁铁和电磁铁的结构和线圈参 数的设计。

设计出来的永磁偏置径向轴向磁轴承与电机相配合即为无轴承电机的总 体结构。

转轴部件主要结构尺寸的设计 转子直径和磁场宽度的确定 本课题转子直径的范围由设计要求给出，在结构允许的前提下，为提高其承 载能力改善其动态特性，尽可能增加转子直径，所以我们取给出范围的上限，即 。

磁场宽度是指磁轴承电磁铁的轴向尺寸，为减小电机的轴向尺寸，磁场宽度取 小值，大约为轴承转子的。

悬伸量和跨距的确定 般主轴设计时，其刚度主要由主轴本身的刚度和轴承的刚度两方面决定，悬 伸量与跨距有个最佳比值。

然而，由于磁轴承主轴部件的设计对其控制系统有影 响，因此在主轴设计时，不仅要考虑的最佳值，而且要考虑给控制系统带来的 影响。

本次设计的磁悬浮电动机为卧式结构，主轴直径小，根据经验，取主轴全长 为。

磁轴承转子的轴向尺寸的确定 径向磁轴承限制了转轴的四个自由度及提供径向的支撑刚度，但由于径向磁轴 承 对转轴有自动定位的作用，使得转轴在轴向也受到定的对中力。

为避免这 对中力与轴向磁轴承对转轴的对中控制发生耦合，设计时可以考虑使磁轴承转子轴 向尺寸略大于其定子的轴向尺寸。

主轴上零件的布置 传感器对永磁偏置磁轴承控制系统的性能有很大的影响，在系统中，主轴的回 转精度和轴向位置精度由传感器本身精度位置及基准环的精度决定的。

因此对传 感器的布置应特别注意。

般来说，径向传感器安装在径向磁轴承的旁边，但应注 意，基准环不应选在转轴主振动节点处。

从理论上讲，轴向传感器安装时，其基准 环可以安装在转轴的任何位置，但实际上受到转轴结构的限制。

为便于安装测量， 可安装在转轴的后端。

无轴承电机的总体结构设计 无轴承电机的基本组成如图所示，它主要由永磁铁电磁轴承转子及其 定子电机转子及其定子转轴传感器及其支架辅助轴承端盖缸筒等组成。

该电机在结构上的主要特点有 电机轴向以电机定子为定位基准，以轴肩轴套电磁轴承本身定位， 径向直接以内缸筒内经定位，定位简单方便。

设计电机的零部件形状简单，无须设计专用夹具，故加工方便，节约经 费。

多采用标准件，不但节省设计时间，而且缩短生产流程，提高生产效率。

除电机转子及磁轴承转子与转轴的配合采用过渡配合外，其余不是间隙 配合就是无须配合，故而大多零件无须进行精加工，大大减少加工工序。

转子与定子均采用叠片结构，材料为软磁材料，从而涡流损耗小。

轴向径向线圈处于同结构内，可以进行自我解耦。

由于所设计的磁轴承系统采用装入式电机，即将电机的转子与轴承的转 子固定