高速无轴承永磁薄片电机

1 无轴承永磁薄片电机介绍

无轴承永磁薄片电机是一种新颖的五自由度全悬浮功能的特种电机。五自由度分别指两个径向自由度、一个轴向自由度以及两个扭转方向自由度。五自由度全悬浮指的是这五个自由度都得到了限制，只释放了一个绕轴向旋转的自由度。

无轴承永磁薄片电机利用电机本身的驱动磁场作为偏置磁场，外加一个控制磁场实现径向悬浮力控制。以1 对极无轴承永磁薄片电机为例，1对极的电机驱动磁场叠加上2 对极的控制磁场后，磁场的对称分布被打破，在图1(a)中磁场叠加后，左侧磁场减弱，右侧磁场增强，产生了向右的径向力，而在图1(b)中磁场叠加后，上部磁场增强，下部磁场减弱，产生了向上的径向力。

轴向和扭转方向上的被动悬浮利用了薄片电机转子的直径远小于轴向长度的结构特点和磁阻力总是有使磁路磁阻最小的趋势的性质。如图2(a)所示，当转子发生轴向偏移时，磁拉力总会将转子拉向磁阻最小的方向;而发生扭转时，同理也会产生相应的磁拉力矩迫使转子回到平衡位置，如图2(b)所示。

除具备无轴承电机的无摩损、无机械噪音、无需润滑、免维护、寿命长等优点外，无轴承永磁薄片电机还有自己独特的特点，主要体现在以下几个方面：

1)轴向长度短，转子成陀罗状，利于高速运行;

2)电机结构简单、紧凑、可靠性高、成本低;

3)定、转子完全隔离，可实现较好的密封性能;

4)悬浮控制的偏置磁场由永磁体提供，无需额外励磁电流，悬浮功耗比小、效率高。

无轴承永磁薄片电机的这些优势在生、化、医、机电等领域的密封传送和生产系统中具有独特的应用价值。目前瑞士、德国、日本、美国、新加坡均在大力扶植这项高新技术的研究[2~6]，已有部分成果进入商品测试阶段。韩国的Seungjong Kim和日本的Keisuke Abe 等人提出了一种洛仑兹力型的2对极无轴承薄片电机，最高转速达12 600 r/min。

国内已有南京航空航天大学、西安交通大学、上海交通大学、沈阳工业大学、江苏大学等数家单位开展了这项研究[7~13]。南京航空航天大学高速电机实验室提出了一种集中式绕组的2 对极无轴承永磁薄片电机，最高转速达到4 000 r/min。目前国内电机的转速有待于进一步的提高。

本文推导了1 对极无轴承永磁薄片电机径向悬浮力的精确数学模型，为实现高速运行，简化了控制策略，优化了电机结构，并搭建了一套原理样机的试验平台。试验表明样机可以实现高速运行时的稳定悬浮。

2 理论基础

在文献[14~15]中，证明了当转矩绕组和磁悬浮绕组的极对数p1、p2 相差1，两个磁场的旋转方向一致并且两套绕组中的电流的频率一致时，电机可以产生可控的径向悬浮力。以转矩绕组1 对极、悬浮绕组2 对极、整数匝、不跨绕的表贴式无轴承永磁薄片电机为例，推导电机的径向悬浮力与转矩的数学模型。推导中作如下假设：

1)忽略漏磁和磁路饱和;

2)取电机单位轴向长度进行分析;

3)设永磁体的相对磁导率为1;

4)定子各齿沿圆周等距分布。

采用两套三相绕组，分别用作悬浮和旋转，绕组配置为悬浮绕组2 对极，各齿上的相数分配为(1：Al，3：Bl，5：Cl，4：Al，6：Bl，2：Cl);转矩绕组1 对极，各齿上的相数分配为(1：Ar，2：Br，3：Ct，4：-At，5：-Bt，6：-Ct)。将集中式绕组表贴式电机的气隙展开，如图3 所示。

4 电机结构

本文无轴承永磁薄片电机采用六齿三相1 对极结构。定子外圈向下折，成立体形状，如图5(a)所示。此外，六个齿上加上了齿靴，减少了转子磁场的漏磁，提高永磁体的利用率。同时电机的磁路通过定子底层硅钢片形成回路。定子每一齿极绕有一套悬浮绕组和一套转矩绕组。转矩绕组采用1 对极结构，有助于降低电角频率，适于高速运行。霍尔角度传感器和电涡流位置传感器交替嵌于齿靴之间，如图5(b)所示。定子线圈采用集中式绕组，可降低电机设计的复杂度，而且便于负载(如泵壳)的安装，同时，齿与齿之间留出的空隙，为传感器的安装也提供了足够的空间。

1 对极无轴承永磁薄片电机的样机如图6 所示。电机定子外径116 mm，铁心长度80 mm，采用的材料是普通0.25 mm 硅钢片，线性相对磁导率约为3 000。每套转矩绕组线圈有282 匝，每套悬浮绕组线圈有102 匝。转子外径53.2 mm，内径14.4 mm，轴向长度14.5 mm，磁钢为表贴式，材料为高能永磁材料(钕铁硼)，剩磁1 050 mT，矫顽力844 kA/m，厚度2.5 mm，定转子间气隙3 mm。

5 控制系统和功率系统

无轴承永磁薄片电机的控制系统由调制电路和以数字信号处理器(DSP)TMS320F2812 为核心的控制器组成，实物如图7 所示。TMS320F2812DSP芯片功能强大，运行速度快，具有丰富的片内外围设备。150 MHz 的时钟频率保证了高转速下控制策略的运算;利用IQmath 实现以C 语言为主体，局部调用汇编指令的方式编写的控制系统程序，可实现坐标转换和PID调节器的模块化调用，从而简化了程序存储空间，提高了软件质量;且芯片集成16 路的12 位模-数转换器，为无轴承永磁薄片电机所需的电流传感器、霍尔角度传感器、电涡流位置传感器提供了足够的通道和精度。

功率系统是整个无轴承永磁薄片电机系统中的执行机构，负责完成控制器发出的指令。采用两套三相电流控制型PWM 逆变器(CRPWM)，可以方便地控制转矩绕组和悬浮绕组的三相电流。开关频率为16 kHz。

6 电机性能试验

考虑到无轴承永磁薄片电机的转子没有轴承支撑，试验研究时，首先要实现电机的稳定悬浮。

图8(a)为静止悬浮时转子在x方向和y 方向的位移波形。可以看出，当电机静止悬浮的时候，转子x、y 方向的位移波动范围约20 滋m，实现了稳定悬浮。图8(b)为悬浮电流闭环波形，Ila、Ila* 分别为a相悬浮绕组的给定电流和反馈电流。由于永磁体提供了悬浮力偏置磁场，只需极小幅值的悬浮电流即可实现电机的稳定悬浮。

启动转矩控制系统，给定250 Hz 的转速，经过转速闭环和转矩绕组电流闭环，实现Itd=0 的转子磁场定向控制，经过2 s的加速过程，转速超过15 000 r/min，见图9。转子y 方向的偏移波形显示，在启动阶段，转子的径向偏移严重，幅值达到160 滋m，但仍处于悬浮状态。经过短暂调整，转子径向偏移趋于稳定，实现了电机高速悬浮运行。

图10(a)为电机转速稳定在15 000 r/min 时的转子位移波形，转子绕径向平衡位置上下移动，偏移的幅值已在80 滋m左右。相较于电机静止时的稳定悬浮状态，此时为克服转子高速旋转时径向的不稳定性，径向悬浮力随之增大，悬浮绕组的电流幅值亦增大，幅值已接近1.5 A，如图10(b)所示。通过悬浮系统电流PI 环节的闭环作用，a相悬浮绕组的反馈电流能够始终跟随给定电流，满足悬浮磁场的定向控制要求。图10(c)为电机平稳运行时a 相转矩绕组的给定电流Ita 和反馈电流Ita* 波形，通过转矩电流PI 环节的闭环作用，转矩的反馈电流和给定电流基本重合，幅值保持在0.6 A左右。

7 结语

本文推导了1对极无轴承永磁薄片电机的径向悬浮力数学模型，并对数学模型进行了适当的简化，降低了数字控制的复杂性;分析了原理样机的结构特点，搭建了控制系统和功率系统;最后对样机进行了高速运行试验，转速在15 000 r/min时，转子径向移幅约80 滋m。且电机转速可在0耀15 000 r/min 之间连续调整，实现了全转速的稳定悬浮运行。