高速無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)

1 無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)介紹

無(wú)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(gè)徑向自由度、一個(gè)軸向自由度以及兩個(gè)扭轉(zhuǎn)方向自由度。五自由度全懸浮指的是這五個(gè)自由度都得到了限制，只釋放了一個(gè)繞軸向旋轉(zhuǎn)的自由度。

無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)利用電機(jī)本身的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)作為偏置磁場(chǎng)，外加一個(gè)控制磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)徑向懸浮力控制。以1 對(duì)極無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)為例，1對(duì)極的電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)疊加上2 對(duì)極的控制磁場(chǎng)后，磁場(chǎng)的對(duì)稱分布被打破，在圖1(a)中磁場(chǎng)疊加后，左側(cè)磁場(chǎng)減弱，右側(cè)磁場(chǎng)增強(qiáng)，產(chǎn)生了向右的徑向力，而在圖1(b)中磁場(chǎng)疊加后，上部磁場(chǎng)增強(qiáng)，下部磁場(chǎng)減弱，產(chǎn)生了向上的徑向力。

軸向和扭轉(zhuǎn)方向上的被動(dòng)懸浮利用了薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑遠(yuǎn)小于軸向長(zhǎng)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(shì)的性質(zhì)。如圖2(a)所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向偏移時(shí)，磁拉力總會(huì)將轉(zhuǎn)子拉向磁阻最小的方向;而發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，同理也會(huì)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(wú)軸承電機(jī)的無(wú)摩損、無(wú)機(jī)械噪音、無(wú)需潤(rùn)滑、免維護(hù)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)外，無(wú)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(gè)方面：

1)軸向長(zhǎng)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(jiǎn)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(chǎng)由永磁體提供，無(wú)需額外勵(lì)磁電流，懸浮功耗比小、效率高。

無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)的這些優(yōu)勢(shì)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(jià)值。目前瑞士、德國(guó)、日本、美國(guó)、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(cè)試階段。韓國(guó)的Seungjong Kim和日本的Keisuke Abe 等人提出了一種洛侖茲力型的2對(duì)極無(wú)軸承薄片電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)12 600 r/min。

國(guó)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(yáng)工業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等數(shù)家單位開(kāi)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(duì)極無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min。目前國(guó)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(duì)極無(wú)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(jiǎn)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(tái)。試驗(yàn)表明樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行時(shí)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(duì)數(shù)p1、p2 相差1，兩個(gè)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向一致并且兩套繞組中的電流的頻率一致時(shí)，電機(jī)可以產(chǎn)生可控的徑向懸浮力。以轉(zhuǎn)矩繞組1 對(duì)極、懸浮繞組2 對(duì)極、整數(shù)匝、不跨繞的表貼式無(wú)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(zhǎng)度進(jìn)行分析;

3)設(shè)永磁體的相對(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)，如圖3 所示。

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