殷友峰 无轴承电机的结构与悬浮控制
所需的安匝数Nim就增大，这样需要增大绕线的空间，其优点是机械加工精度相对来说要求不高，但磁轴承的体积和重量会增加；如果减少g0，虽然安匝数Nim 减少，但要求更高的加工精度。另外，依据式(3-18)，产生同样大小的偏置磁场，所需永磁体的磁动势与气隙成正比。因此，在工程上，一般取g0=0.15～1.00mm，转子的直径小时g0 相对取小值。本文系统取0.5mm。
电磁轴承启浮时，单边气隙大于理想工作气隙，若设磁轴承的转子与辅助轴承的半径间隙为Xf，则启浮时有下面关系成立：
Xf=0.5g0
g1 =g0+0.5g0=1.5g0 g2 =g0-0.5g0=0.5g0
又由公式NIst??s?Rg1?gg2?以及Rg?g?9S可得：
?g1?3g03BSg0? （3-22） NIst?BSS???BS??S??S?2?0S2?0?0?上式即为求取启浮安匝数的计算式。 3.4.5.3 永磁材料参数设计
永磁体对外提供的磁动势Fm 与所选的永久磁铁去磁曲线有关。为了设计结构紧凑，重量轻的磁轴承，通常选取高饱和磁感应强度的永久磁铁。当所选的材料为铁氧体或稀土钴时，则去磁曲线接近于直线满足：
Fc?2Fm （3-23） ?r?m?(Fc?Fm)Fc式中?r 为永久磁铁的剩余磁通；?m 为永久磁铁外部磁路磁通；Fc 为永久磁铁的矫顽磁势；
又根据混合磁轴承的永磁磁路的基本方程：
?m?B0?2Sz?BSSz （3-24）
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在知道软磁材料的饱和磁感应强度BS 后，再依据式(3-20)计算出的Sz，根据式(3-24)可以算出永磁体的外部磁路磁通?m，再由式(3-21)计算出Fm 值。最后由式(3-22)计算出永磁体的矫顽磁势Fc和永久磁铁的剩余磁通?r。
知道Fc 和?r 后再由下面两式可以确定永磁体的几何尺寸。
Lm?Sm?fFcHc??rBr （3-24）
式中f为磁阻系数的取值范围为1.1～1.5；?为漏磁系数取值范围为2～10；Br 为永磁体的剩余磁感应强度；Hc 为永磁体的矫顽力；Lm 为永磁体的长度；Sm 为永磁体的磁路断面积。 3.4.5.4电磁铁的设计
从本质上来看,电磁铁是一种把电能转换成机械能的电磁元件,在高频电主轴系统中,电磁铁主要提供悬浮转子所需的电磁力.设计电磁铁就是在规定的技术条件基础上,确定电磁铁有关的结构参数,其中包括铁心的几何尺寸、线圈的尺寸、匝数和线径等。保证电磁铁能够稳定可靠的工作。按照励磁电流的特点，可分为交流和直流电磁铁。当电磁铁中通以正弦交流电时，磁路中的磁通和磁感应强度也是时间的正弦函数。交变磁场会在铁芯中产生损耗，使铁芯发热，因此，交流电磁铁的铁芯是用硅钢片叠成的。一般来说，直流电磁铁的励磁电流大小和方向不随时间改变。由于没有铁芯损耗，所以，它的铁芯可以用整块的铸钢、软钢制成。直流电磁铁的励磁线圈在外加电压一定时，若不考虑过渡过程，稳态的线圈电流的大小不变，因而磁势也不会发生变化。当转子处于不同位置时，由于间隙变小，磁阻增大，电磁吸力也增大。基于上述特点和考虑电路设计的难易程度，最终选择的是直流电磁铁。同时，值得说明的是，本章所做的的各种分析都是在假定选择了直流电磁铁这一前提下进行的。
（1）线径可由下式确定
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d?4I0 (3-25) j?其中j为电流密度，根据电机的设计经验取j=4～8Amm2 （2）磁极弧长及叠片厚度的计算
为了简便起见，采用等分的方法，每个磁极所占的角度取为??32?，则每个磁极的弧长为???D2?，而叠片厚度（即磁轴承的轴向长度）为磁极面积与弧长之比，计算如下：
l1?0.5D? (3-26) b?Sl1 (3-27)
（3）窗口面积的计算 窗口面积的计算可由下式求得
Swktc?2N?4d12 (3-28)
式中ktc为填充系数，一般为0.8。 3.4.5.5 线圈的电阻和消耗的功率Ps
线圈的电阻R可通过公式比较精确的计算出来
???e??0?1??0?? (3-29) ???R??eLeS1式中Le为导线的总长度；
S1为导线的截面积；
?e为温度系数；
?0?1234.5?1?C?。 线圈消耗的功率
2Ps?I0R (3-30)
3.4.5.6 辅助轴承的确定
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辅助轴承是在断电或电路发生故障时，起保护作用，工作时它不与主轴接触，一般采用径向深沟球轴承，在正常运转时，辅助轴承是不动的，它与转子之间的工作间隙必须小于转子与定子的气隙。一般取0.5g0。
3.5 混合磁轴承的具体参数设计
按照前述理论分析，以磁悬浮电动机的轴承为例来说明混合磁轴承的结构参数设计计算方法。对所设计的混合电磁轴承的要求如下：
轴向最大承载能力：Ｆ＝６００Ｎ 转子直径（外径）： ｄ＝４０mm
在制造时，径向磁轴承的定子可以做成像感应电动机的定子那样，具有许多齿槽的形式。为了增加电磁铁的输出力，采用如图2-7 所示的铁芯，在齿槽处卷满线圈
图3-7 径向磁轴承结构示意图
由于设计的磁轴承为4对磁极，且均匀分布，所以有??22.5?，此外取??32?，取
g0?0.5mm。 3.5.1 选取永磁材料
在设计永磁电磁轴承时，永磁材料内部磁动势参数Fm与所选的永久磁铁去磁曲线有关。为了设计结构紧凑、重量轻的磁轴承，通常选取高饱和磁感应强度的永久磁铁。本课题设计磁轴承所选用的永磁体材料是钕铁硼，此材料的去磁曲线呈直线，
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因此是比较理想的磁性材料，其饱和磁感应强度BS=0.8T。 3.5.2 确定工作气隙磁感应强度
平衡位置处，上、下气隙的磁感应强度相等，由式（3-19）可知：
B0?BS?0.4T 23.5.3 磁极面积的计算 由式（3-20）得：
2FZmax?02?4??10?7?100Sz???0.39?10?3m2 22BS0.8SxySz0.39?10?3???0.195?10?3m2 223.5.4 求定子内径
D?d?2g0?40?2?0.5?41mm 3.5.5 求磁极弧长及叠片厚度 由式（3-26）得：
l1?D4132??????11.45mm 22180取l1?12mm 由式（3-27）得：
b?Sxyl1?14.59mm 取b?15mm
由此可得磁悬浮轴承定子由43片厚为0.35mm的硅钢片叠成。 3.5.6 安匝数的计算 由式（3-21）得：
Nixm?Niym?Nizm?BSg0?00.8?0.5?10?3??318.47
4??10?7考虑到电流允许瞬时过载，取安匝数NI?320安匝 3.5.7 匝数与电流的分配
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