高速無軸承永磁薄片電機(jī)

1 無軸承永磁薄片電機(jī)介紹

無軸承永磁薄片電機(jī)是一種新穎的五自由度全懸浮功能的特種電機(jī)。五自由度分別指兩個徑向自由度、一個軸向自由度以及兩個扭轉(zhuǎn)方向自由度。五自由度全懸浮指的是這五個自由度都得到了限制，只釋放了一個繞軸向旋轉(zhuǎn)的自由度。

無軸承永磁薄片電機(jī)利用電機(jī)本身的驅(qū)動磁場作為偏置磁場，外加一個控制磁場實(shí)現(xiàn)徑向懸浮力控制。以1 對極無軸承永磁薄片電機(jī)為例，1對極的電機(jī)驅(qū)動磁場疊加上2 對極的控制磁場后，磁場的對稱分布被打破，在圖1(a)中磁場疊加后，左側(cè)磁場減弱，右側(cè)磁場增強(qiáng)，產(chǎn)生了向右的徑向力，而在圖1(b)中磁場疊加后，上部磁場增強(qiáng)，下部磁場減弱，產(chǎn)生了向上的徑向力。

軸向和扭轉(zhuǎn)方向上的被動懸浮利用了薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑遠(yuǎn)小于軸向長度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和磁阻力總是有使磁路磁阻最小的趨勢的性質(zhì)。如圖2(a)所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向偏移時，磁拉力總會將轉(zhuǎn)子拉向磁阻最小的方向;而發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，同理也會產(chǎn)生相應(yīng)的磁拉力矩迫使轉(zhuǎn)子回到平衡位置，如圖2(b)所示。

除具備無軸承電機(jī)的無摩損、無機(jī)械噪音、無需潤滑、免維護(hù)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)外，無軸承永磁薄片電機(jī)還有自己獨(dú)特的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)軸向長度短，轉(zhuǎn)子成陀羅狀，利于高速運(yùn)行;

2)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠性高、成本低;

3)定、轉(zhuǎn)子完全隔離，可實(shí)現(xiàn)較好的密封性能;

4)懸浮控制的偏置磁場由永磁體提供，無需額外勵磁電流，懸浮功耗比小、效率高。

無軸承永磁薄片電機(jī)的這些優(yōu)勢在生、化、醫(yī)、機(jī)電等領(lǐng)域的密封傳送和生產(chǎn)系統(tǒng)中具有獨(dú)特的應(yīng)用價值。目前瑞士、德國、日本、美國、新加坡均在大力扶植這項(xiàng)高新技術(shù)的研究[2~6]，已有部分成果進(jìn)入商品測試階段。韓國的Seungjong Kim和日本的Keisuke Abe 等人提出了一種洛侖茲力型的2對極無軸承薄片電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)12 600 r/min。

國內(nèi)已有南京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等數(shù)家單位開展了這項(xiàng)研究[7~13]。南京航空航天大學(xué)高速電機(jī)實(shí)驗(yàn)室提出了一種集中式繞組的2 對極無軸承永磁薄片電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min。目前國內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有待于進(jìn)一步的提高。

本文推導(dǎo)了1 對極無軸承永磁薄片電機(jī)徑向懸浮力的精確數(shù)學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，簡化了控制策略，優(yōu)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，并搭建了一套原理樣機(jī)的試驗(yàn)平臺。試驗(yàn)表明樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行時的穩(wěn)定懸浮。

2 理論基礎(chǔ)

在文獻(xiàn)[14~15]中，證明了當(dāng)轉(zhuǎn)矩繞組和磁懸浮繞組的極對數(shù)p1、p2 相差1，兩個磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致并且兩套繞組中的電流的頻率一致時，電機(jī)可以產(chǎn)生可控的徑向懸浮力。以轉(zhuǎn)矩繞組1 對極、懸浮繞組2 對極、整數(shù)匝、不跨繞的表貼式無軸承永磁薄片電機(jī)為例，推導(dǎo)電機(jī)的徑向懸浮力與轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)中作如下假設(shè)：

1)忽略漏磁和磁路飽和;

2)取電機(jī)單位軸向長度進(jìn)行分析;

3)設(shè)永磁體的相對磁導(dǎo)率為1;

4)定子各齒沿圓周等距分布。

采用兩套三相繞組，分別用作懸浮和旋轉(zhuǎn)，繞組配置為懸浮繞組2 對極，各齒上的相數(shù)分配為(1：Al，3：Bl，5：Cl，4：Al，6：Bl，2：Cl);轉(zhuǎn)矩繞組1 對極，各齒上的相數(shù)分配為(1：Ar，2：Br，3：Ct，4：-At，5：-Bt，6：-Ct)。將集中式繞組表貼式電機(jī)的氣隙展開，如圖3 所示。

4 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文無軸承永磁薄片電機(jī)采用六齒三相1 對極結(jié)構(gòu)。定子外圈向下折，成立體形狀，如圖5(a)所示。此外，六個齒上加上了齒靴，減少了轉(zhuǎn)子磁場的漏磁，提高永磁體的利用率。同時電機(jī)的磁路通過定子底層硅鋼片形成回路。定子每一齒極繞有一套懸浮繞組和一套轉(zhuǎn)矩繞組。轉(zhuǎn)矩繞組采用1 對極結(jié)構(gòu)，有助于降低電角頻率，適于高速運(yùn)行?；魻柦嵌葌鞲衅骱碗姕u流位置傳感器交替嵌于齒靴之間，如圖5(b)所示。定子線圈采用集中式繞組，可降低電機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，而且便于負(fù)載(如泵殼)的安裝，同時，齒與齒之間留出的空隙，為傳感器的安裝也提供了足夠的空間。

1 對極無軸承永磁薄片電機(jī)的樣機(jī)如圖6 所示。電機(jī)定子外徑116 mm，鐵心長度80 mm，采用的材料是普通0.25 mm 硅鋼片，線性相對磁導(dǎo)率約為3 000。每套轉(zhuǎn)矩繞組線圈有282 匝，每套懸浮繞組線圈有102 匝。轉(zhuǎn)子外徑53.2 mm，內(nèi)徑14.4 mm，軸向長度14.5 mm，磁鋼為表貼式，材料為高能永磁材料(釹鐵硼)，剩磁1 050 mT，矯頑力844 kA/m，厚度2.5 mm，定轉(zhuǎn)子間氣隙3 mm。

5 控制系統(tǒng)和功率系統(tǒng)

無軸承永磁薄片電機(jī)的控制系統(tǒng)由調(diào)制電路和以數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F2812 為核心的控制器組成，實(shí)物如圖7 所示。TMS320F2812DSP芯片功能強(qiáng)大，運(yùn)行速度快，具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備。150 MHz 的時鐘頻率保證了高轉(zhuǎn)速下控制策略的運(yùn)算;利用IQmath 實(shí)現(xiàn)以C 語言為主體，局部調(diào)用匯編指令的方式編寫的控制系統(tǒng)程序，可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和PID調(diào)節(jié)器的模塊化調(diào)用，從而簡化了程序存儲空間，提高了軟件質(zhì)量;且芯片集成16 路的12 位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，為無軸承永磁薄片電機(jī)所需的電流傳感器、霍爾角度傳感器、電渦流位置傳感器提供了足夠的通道和精度。

功率系統(tǒng)是整個無軸承永磁薄片電機(jī)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)完成控制器發(fā)出的指令。采用兩套三相電流控制型PWM 逆變器(CRPWM)，可以方便地控制轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組的三相電流。開關(guān)頻率為16 kHz。

6 電機(jī)性能試驗(yàn)

考慮到無軸承永磁薄片電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有軸承支撐，試驗(yàn)研究時，首先要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定懸浮。

圖8(a)為靜止懸浮時轉(zhuǎn)子在x方向和y 方向的位移波形?？梢钥闯觯?dāng)電機(jī)靜止懸浮的時候，轉(zhuǎn)子x、y 方向的位移波動范圍約20 滋m，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮。圖8(b)為懸浮電流閉環(huán)波形，Ila、Ila* 分別為a相懸浮繞組的給定電流和反饋電流。由于永磁體提供了懸浮力偏置磁場，只需極小幅值的懸浮電流即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定懸浮。

啟動轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，給定250 Hz 的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過轉(zhuǎn)速閉環(huán)和轉(zhuǎn)矩繞組電流閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)Itd=0 的轉(zhuǎn)子磁場定向控制，經(jīng)過2 s的加速過程，轉(zhuǎn)速超過15 000 r/min，見圖9。轉(zhuǎn)子y 方向的偏移波形顯示，在啟動階段，轉(zhuǎn)子的徑向偏移嚴(yán)重，幅值達(dá)到160 滋m，但仍處于懸浮狀態(tài)。經(jīng)過短暫調(diào)整，轉(zhuǎn)子徑向偏移趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)高速懸浮運(yùn)行。

圖10(a)為電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在15 000 r/min 時的轉(zhuǎn)子位移波形，轉(zhuǎn)子繞徑向平衡位置上下移動，偏移的幅值已在80 滋m左右。相較于電機(jī)靜止時的穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，此時為克服轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時徑向的不穩(wěn)定性，徑向懸浮力隨之增大，懸浮繞組的電流幅值亦增大，幅值已接近1.5 A，如圖10(b)所示。通過懸浮系統(tǒng)電流PI 環(huán)節(jié)的閉環(huán)作用，a相懸浮繞組的反饋電流能夠始終跟隨給定電流，滿足懸浮磁場的定向控制要求。圖10(c)為電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時a 相轉(zhuǎn)矩繞組的給定電流Ita 和反饋電流Ita* 波形，通過轉(zhuǎn)矩電流PI 環(huán)節(jié)的閉環(huán)作用，轉(zhuǎn)矩的反饋電流和給定電流基本重合，幅值保持在0.6 A左右。

7 結(jié)語

本文推導(dǎo)了1對極無軸承永磁薄片電機(jī)的徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，降低了?shù)字控制的復(fù)雜性;分析了原理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，搭建了控制系統(tǒng)和功率系統(tǒng);最后對樣機(jī)進(jìn)行了高速運(yùn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速在15 000 r/min時，轉(zhuǎn)子徑向移幅約80 滋m。且電機(jī)轉(zhuǎn)速可在0耀15 000 r/min 之間連續(xù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了全轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。