无轴承异步电动机结构设计及有限元分析

但是 ， 在实 际应 用 当 中 ， 轴 承 支 承 电机 由 于磁 轴 承 独特 的磁 路 结构使 其具 有 自解 耦功 能 ， 磁 其控 制方 法 与 的 引入使 电机 轴 向长 度过 大 ， 致 转 子 刚度 小 ， 导 限制 传 统磁 轴承 支承 电机 相 同 ， 制 系统 的难点 主要 集 中 控 了临界转 速及承载 力 的提 高 。 为解 决这 些 问题 ， 用 在两 自由度 无轴 承 电机 的控 制 策 略上 ； 对 磁 轴 承引 利 ⑤ 磁 轴承与 异步 电机 结构 的相 似性 ， 电机 绕组 和悬 浮 入二 片式六 极轴 向径 向 双磁 极 面结 构 ， 大增 加磁 轴 将 大 力 绕组叠 绕在异 步 电机 的定 子槽 中 ， 悬 浮 力绕 组 与 承有效磁极面积 ， 使 减小其轴 向尺寸； 异步电机结构 ⑥ 电机绕组 合成 为 一 体 ， 轴 承 异 步 电机 应 运 而 生 Ｊ 简单 、 无 。 可靠 性高 、 隙 均 匀 、 于 弱磁 提 速 ， 其 基 础 气 易 在 它 不仅继 承 了磁 轴承支 承 电机 的所 有 优 点 ， 而且 悬 浮 上实现无轴承 电机优势突 出； 实用性强 ， ⑦ 特别是在
第１ ９卷 第 ６期
２ １ 年 １ 月 ０１ １
河南机电高等专科学校学报
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图 １ 无 轴 承 电机 与 磁 悬 浮 轴 承 支承 电机 的 结 构 比较
１ 电机 系统 结构
图 １为无轴 承 电机 与传 统 的磁 轴 承 支 承 电机 系
１ １ 电机 结构设ｍ 绕 严 重制 约 了磁轴 承支 承 电机 的广 泛应 用 。同 时 ， 系统 导体根数 比为 ４ ：ｌ导体为漆包铜线 ， 过于庞大， 电机和磁轴 承以及控 制系统的造价过高 ， 组形式均为同心式绕组 ， 套绕组 的 Ａ相 中心线均与 且两 不利 于磁悬 浮电机 的普 及应 用 。相 比而 言 ， １中 的 以定子 中心为原 点 的直 角坐标平 面 ｘ轴重 合 ， 图 即两个磁 新型 五 自由度磁悬 浮 电机 系统 具 有下 列 优 点 ： 系统 场的初始相位角相等为 ０如 图 ２ ① ， 。电机转矩绕组额定功
无轴 承 异 步 电动 机 结构 设 计 及 有 限元 分 析
赵筱 赫 ， 张 锐
（ 河南机 电高等专科学校 电气工程 系， 河南 新 乡 ４ ３０ ） ５ ０ ０ 摘要 ：对无轴承异 步电动机 的机械 结构做 了详细介 绍， 并对其进行 详细的有限元计算 ； 利用 Ａ ｓｆ有 限元分析 实 ｎｏ ｌ 验平 台进行 了仿真试验。结论表 明该无轴承 电动机 系统结构紧凑 、 承载力大 ； 在大功率 、 超高速 、 微型化磁悬浮 系 统中具有潜在应用价值和发展前景 。
力绕组不再 占用轴 向空间 ， 小 了电机 的体积 和重 航 空电机 、 减 高速磨 床 以及 飞 轮贮 能等超 高 速驱 动领 域 量， 从而拓 展 了高 速 电机 在大 功 率 和超 高 速 领域 中的 具 有很好 的应 用前景 。 应用， 更有 利于悬 浮 电机 向微 型化 方 向发展 。电机 转 子 的稳定 悬 浮 ， 要 五个 自由度 的 控 制 ， 一 个 无 轴 需 在 承 电机基 础上 ， 还需要 三 个 自由度 的悬 浮 支承 。 而传 统 的直流磁轴控 系统 复杂 ， 要 三个直流功率 放大 需 器。为此本文结合一个交直流三 自由度永磁偏磁交 直 流混合磁 轴承 （ Ｃ—Ｄ Ａ Ｃ一３ Ｏ Ｄ Ｆ—Ｈ ） 提 出一 ＭＢ ， 五 自由度 磁 悬 浮 电机 磁 轴 承支 承 电 机 种新 型 的五 自由度 无轴 承 电机 系统 。
作者简介 ２ １ ２ 收稿日期： １ － ０ ５ ０
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赵筱 赫 （９ ３ ） 女 ， 南 叶 县 人 ， 士 ， 要从 事 无 轴 承 拖 动 系统 理论 与 实 现 研 究 。 １８ ， ， 河 硕 主
关键词 ： 无轴承 电机 ； 数学模型 ； 有限元
中图分类号 ：Ｍ ４ Ｔ ３６ 文献标识码 ： Ａ 文章编 号：０ ８— ０ ３ ２ １ ）６— ０ ８— ５ １０ ２ ９ （０ １ ０ ０ １ ０
在高 速 电机 研究 中 ， 械轴 承 与 转子 之 间 的摩 擦 仅 由两个 部件 组成 ， 构 更 紧 凑 ， 大 提 高 转 子轴 向 机 结 大 损耗一直 是 电机 向超 高速 、 型化 发展 的“ 颈 ” 微 瓶 。磁 利 用率 ， 突破 了大 功 率 和 超 高 速 的限 制 ， 利 于 实 现 有 轴承能够 实现转 子 的悬 浮旋 转 ， 有 密 封 、 具 免润 滑 、 微 型化 ； 磁 轴 承 和 无 轴 承 电机 的磁 路 没 有耦 合 ， 无 ② 可 摩 擦 、 磨损 、 机械 噪音 等 优 点 ， 直 备受 国 内外 学 以独立控制 ； 无 无 一 ③用于控制悬浮 的功率 电路数量减少， 者关 注 ， 且 其 控 制 及 应 用 技 术 已经 初 见 成 果 ¨ Ｊ 简化了控制系统 ； 并 。 ④三 自由度交 一直流混合磁轴承的
本文的无轴 承 电机 由异 步 电机 Ｙ一 ０ ４改造 得 ９ Ｌ一
原 在定子 统 结构 。在磁轴 承支 承 电机 中 ， 立 安装 在 电机 两侧 到 ： 电动机机座及定转子参数绝缘 等级均不变 ， 独 其极对 数分 别为 Ｐ １Ｐ ＝２每槽 ＝ ， ， 的径 向磁轴 承 和轴 向磁 轴 承 均 占据一 定 的 轴 向长 度 ， 槽 中叠绕 两套绕 组 ，