薄片型永磁無軸承電機浙江大學電氣工程學院

電機及其控制研究所

2007-6-4目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一．概述 3\o"CurrentDocument"二．懸浮工作原理 4\o"CurrentDocument"?徑向懸浮力 4軸向和扭轉(zhuǎn)方向懸浮力 6\o"CurrentDocument"三．電機的基本結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"定子結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"轉(zhuǎn)矩繞組 7\o"CurrentDocument"轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 8\o"CurrentDocument"懸浮繞組 8\o"CurrentDocument"四.控制系統(tǒng) 9\o"CurrentDocument"硬件系統(tǒng) 9\o"CurrentDocument"?軟件系統(tǒng) 9一．概述20世紀末期，為滿足科技進步和生產(chǎn)過程對高速、超高速(上萬至數(shù)萬轉(zhuǎn)/分)電力驅(qū)動裝備的需求，一種集驅(qū)動與懸浮功能于一體的無軸承電機應(yīng)運而生。它利用電磁軸承和電機結(jié)構(gòu)上的某些相似性，將產(chǎn)生懸浮力的原電磁軸承繞組嵌放進旋轉(zhuǎn)電機的電樞鐵心中，使電機轉(zhuǎn)子同時具有驅(qū)動機械負載的旋轉(zhuǎn)和自懸浮支撐能力。由于無需獨立的徑向磁軸承支撐，無軸承電機結(jié)構(gòu)更加緊湊，其臨界轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)軸剛度、空間利用率以及電磁效率等均有很大提高，從而為高速及大容量機電能量轉(zhuǎn)換和機械儲能裝備提供了全新的解決方案與途徑，在高速高精度機床驅(qū)動，渦輪分子泵，高速離心機、壓縮機，分布式電源系統(tǒng)中的高速渦輪發(fā)電機及飛輪儲能(機電電池)應(yīng)用等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。薄片型無軸承電機是1998年由瑞士學者Barletta等人提出，是一種具有五自由度全懸浮功能的電機結(jié)構(gòu)。電機本體與普通無軸承電機相類似，但軸向長度相對于轉(zhuǎn)子外徑較短，呈薄片型，如圖1所示。這種電機一方面利用無軸承技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向主動懸浮控制，另一方面利用磁阻力效應(yīng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向和扭轉(zhuǎn)方向上的被動懸浮。由于永磁無軸承電機氣隙磁場由永磁體建立，無需定子轉(zhuǎn)矩繞組電流提供勵磁，與感應(yīng)型和磁阻型無軸承電機相比，其體積和重量較小，損耗小，且功率因數(shù)高、效率高、控制方便，因此薄片型無軸承電機通常采用永磁無軸承電機結(jié)構(gòu)。圖1薄片型無軸承電機結(jié)構(gòu)圖薄片型無軸承電機的特殊結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子的完全隔離，再加上無磨損、低噪聲等特點，在泵用及高效超潔凈驅(qū)動領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢明顯。薄片型永磁無軸承電機及其集成化離心泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該離心泵具有以下優(yōu)點：電機轉(zhuǎn)子與泵體可實現(xiàn)集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計，泵體結(jié)構(gòu)簡單，成本低；結(jié)構(gòu)緊湊，軸向長度短，臨界轉(zhuǎn)速高，便于微型化；泵體旋轉(zhuǎn)部分與外界完全隔離，無機械磨損，不存在潤滑和密封問題，可靠性高；系統(tǒng)效率高，可通過電機的矢量控制技術(shù)精確控制輸送介質(zhì)的流量和壓力，從而滿足高效和超潔凈驅(qū)動(如心臟血液泵)性能的要求；通過對轉(zhuǎn)子懸浮力的控制，能夠?qū)崟r監(jiān)測液體流速、壓力等，具有自監(jiān)測功能。輸入口圖2薄片型無軸承電機及離心泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖目前國內(nèi)外研究已完成了薄片型永磁無軸承電機的運行機理研究，實驗運行中已實現(xiàn)了空載、負載穩(wěn)態(tài)和小擾動下的可靠懸浮，正在從實驗室走向工業(yè)實用。其中瑞士聯(lián)邦工學院在Levitronix公司等研究機構(gòu)的共同合作下，研制的小功率薄片型永磁無軸承電機已有部分產(chǎn)品初步實現(xiàn)了商品化，在工業(yè)和民用中得到了應(yīng)用。此外瑞士聯(lián)邦工學院和Sulzer泵公司合作完成了30kW無軸承密封泵的研制，目前樣機已進入試運行階段。在國內(nèi)，西安交通大學、沈陽工業(yè)大學、南京航空航天大學、江蘇大學、浙江大學等高校先后展開了無軸承電機的研究，而薄片型無軸承電機只有最近兩年才有研究文章發(fā)表，也僅是從電機運行理論出發(fā)進行穩(wěn)態(tài)運行仿真及實驗研究，未涉及與離心泵的集成化設(shè)計與控制研究，更未涉及實現(xiàn)技術(shù)及產(chǎn)品化研發(fā)。二．懸浮工作原理薄片無軸承電機相對于普通永磁同步電機的最大不同點在其懸浮系統(tǒng)。薄片無軸承電機轉(zhuǎn)子所受的懸浮力包括徑向懸浮力和軸向及扭轉(zhuǎn)方向上的懸浮力等幾個分量。徑向懸浮力無軸承電機是在普通電機的定子中再嵌入懸浮控制繞組，通過不同極對數(shù)懸浮繞組磁場對原有繞組磁場的作用，改變了氣隙磁場的對稱分布，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向上的可控磁懸浮力，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的懸浮運行。因此，討論無軸承電機的運行機理，必須從分析電機中的電磁力著手。在交流電機中轉(zhuǎn)子受到了兩種不同的電磁力：洛侖茲力和麥克斯韋力。載流導體在磁場中運動而產(chǎn)生的力產(chǎn)生的力稱為洛侖茲力，它沿切向方向作用在轉(zhuǎn)子表面，使電機旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。圖3為電機氣隙磁場對稱下的兩極電機的洛侖茲力和轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生示意圖。

(a)洛侖茲力(b)均勻氣隙下麥克斯韋力圖2-1(a)洛侖茲力(b)均勻氣隙下麥克斯韋力圖2-1洛侖茲力和麥克斯韋力產(chǎn)生原理圖(c)不均勻氣隙下麥克斯韋力圖3洛倫茨力和麥克斯韋力產(chǎn)生原理圖磁場在不同磁導率的磁性物質(zhì)邊界上產(chǎn)生的表面張力稱為麥克斯韋力，該力的方向為垂直于鐵磁物質(zhì)表面向外，其大小與轉(zhuǎn)子表面磁密平方成正比。當電機轉(zhuǎn)子和定子同心且當電流為正弦時，雖然電機中垂直作用于轉(zhuǎn)子表面的麥克斯韋力很大，但由于氣隙磁通對稱分布，故麥克斯韋力合力為零，如圖4(b)所示。當轉(zhuǎn)子偏離氣隙中心，引起氣隙磁通分布的不均勻，則作用在轉(zhuǎn)子上的麥克斯韋力合力就不為零，其中氣隙減小處氣隙磁密增大，氣隙增大處氣隙磁密減小，作用在轉(zhuǎn)子上的麥克斯韋力合力將指向轉(zhuǎn)子偏心使氣隙減小的方向。轉(zhuǎn)子的偏心量越大，作用在轉(zhuǎn)子上的麥克斯韋力合力也就越大。圖2-3永磁型無軸承電機懸浮力產(chǎn)生原理圖2(a)a軸懸浮力產(chǎn)生示意圖圖2-3永磁型無軸承電機懸浮力產(chǎn)生原理圖2(a)a軸懸浮力產(chǎn)生示意圖(b)0軸懸浮力產(chǎn)生示意圖圖4轉(zhuǎn)子的徑向懸浮力圖4是電機徑向的懸浮力產(chǎn)生原理圖。N和Nr為二極的懸浮繞組，當延圖P中標注方向給繞組中通正向電流時，1處磁密增加，2處磁密減少，于是產(chǎn)生了方向的懸浮力，當通反向電流時，產(chǎn)生了a負方向的懸浮力；同理，當給繞組中通以正反方向的電流也可以產(chǎn)生相應(yīng)的正負P方向的懸浮力。所以當同時給兩極的懸浮繞組通以適當大小和方向的電流時就可以產(chǎn)生所需要的徑向懸浮力。轉(zhuǎn)子的徑向懸浮力包括可控懸浮力和單邊磁拉力兩部分，在氣隙磁場定向控制下永磁型無軸承電機轉(zhuǎn)子上所受的力可表示為

一F一d=Ci2d+CI2xF1-i3f_y_q2q式中C和C兩個常數(shù)分別為可控懸浮力系數(shù)和單邊磁拉力系數(shù)，其大小由12永磁貼片特性、繞組分布等諸多電機結(jié)構(gòu)參數(shù)決定；i和i為懸浮繞組電流在2d2qdq坐標系上的兩個分量；I為永磁體磁動勢折算到轉(zhuǎn)矩繞組側(cè)的等效勵磁電流幅值；x、y為電機轉(zhuǎn)子在dq坐標系下的偏心位移。軸向和扭轉(zhuǎn)方向懸浮力轉(zhuǎn)子定子定子〔b）扭轉(zhuǎn)方向被動懸浮原理轉(zhuǎn)子定子定子〔b）扭轉(zhuǎn)方向被動懸浮原理（a）軸向被動懸浮原理定子 轉(zhuǎn)子定子圖5薄片型無軸承電機被動懸浮原理薄片無軸承電機在軸向和扭轉(zhuǎn)方向的懸浮力由轉(zhuǎn)子永磁體和定子之間的磁阻力提供。磁阻力具有使磁路磁阻減小的趨勢，當徑向和軸向比較大時（如6:1）,轉(zhuǎn)子在軸向和旋轉(zhuǎn)方向的懸浮力可以完全由磁阻力被動提供。如圖5所示。三．電機的基本結(jié)構(gòu)電機的功率為100W，電機額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，額定效率90%。為了能夠產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩解耦的可控懸浮力，應(yīng)盡量使氣隙內(nèi)磁場符合理想情況假設(shè)，考慮的對于電機運行狀態(tài)的驗證，應(yīng)充分兼顧位移傳感器的安裝空間。?定子結(jié)構(gòu)考慮到以上幾個因素后，可以初步確定電機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸：電機采用3相12齒結(jié)構(gòu)，定子鐵芯長度為12mm，鐵芯類型為DW470。鐵心結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6定子結(jié)構(gòu)設(shè)計圖?轉(zhuǎn)矩繞組考慮到這是一臺100W，額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分的小功率永磁無軸承電機，設(shè)定轉(zhuǎn)矩繞組參數(shù)如下：極對數(shù)p為2；并聯(lián)支路數(shù)為1，并繞根數(shù)為1，每槽導體數(shù)為180，繞線直徑為0.57/0.06mm。繞組接線如圖7所示。圖7定子轉(zhuǎn)矩繞組接線圖

?轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在實際加工中，為了使減小磁密分布盡量接近正弦，希望永磁體的厚度也為正弦分布。但是在實際加工過程中，正弦的平面很難獲得，因而在本設(shè)計中，永磁貼片的外表面用與轉(zhuǎn)子不同心的圓弧平面代替，如圖8所示。圖8轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計圖考慮到電機的懸浮特性，兼顧轉(zhuǎn)矩和懸浮性能要求，最小氣隙厚度取可滿足轉(zhuǎn)矩特性的典型值§二2mm；徑向上裝限位軸承使轉(zhuǎn)子徑向最大位移不大于a二0.5mm。轉(zhuǎn)子外半徑取32mm；極弧系數(shù)取a二0.85；永磁體外表面半徑maxp為30mm；永磁體外表面圓心和轉(zhuǎn)子圓心距離為6mm;疊裝系數(shù)為1；磁缸類型選用N35,剩磁磁密B=1.23T，相對磁導率為卩=1.03。懸浮三相繞組的極對數(shù)為rr1,繞組節(jié)距取1。?懸浮繞組設(shè)計懸浮繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù)為240,考慮到定子極對數(shù)為2,為了能夠產(chǎn)生可控的懸浮力，懸浮繞組極對數(shù)應(yīng)為2土1，為簡化加工，懸浮繞組極對數(shù)取1,于是得到懸浮繞組每槽導體數(shù)為120，繞線直徑取0.57/0.06mm，懸浮繞組接線如圖9所示。圖9懸浮繞組接線圖四.控制系統(tǒng)?硬件系統(tǒng)無軸承電機及其控制系統(tǒng)綜合了電機運行、電力電子、自動控制以及檢測等技術(shù)，其系統(tǒng)的合理設(shè)計是無軸承電機穩(wěn)定懸浮的基本保障。由于數(shù)字控制系統(tǒng)具有高度集成化電路結(jié)構(gòu)、強大的數(shù)據(jù)處理功能、高控制精度以及穩(wěn)定的工作性能，是薄片無軸承電機高性能懸浮控制的有效實現(xiàn)手段。為進行薄片型無軸承電機的運行實驗研究，設(shè)計了基于TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器為控制核心的全數(shù)字控制系統(tǒng)，其基本構(gòu)成框圖如圖10所示。由于無軸承電機具有轉(zhuǎn)矩及懸浮兩套繞組，需要兩套控制器，其中轉(zhuǎn)矩繞組控制器用于實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)矩控制，完成電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的各項任務(wù)，包括轉(zhuǎn)速測量、轉(zhuǎn)速和電流環(huán)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子磁場定向控制算法的實現(xiàn)等環(huán)節(jié)；懸浮繞組控制器主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向位移控制，包括轉(zhuǎn)子位移檢測、位移和懸浮繞組電流環(huán)調(diào)節(jié)等，兩套控制器之間需要傳遞轉(zhuǎn)子磁場幅值及其相位。圖10薄片型無軸承電機控制系統(tǒng)電路框圖?軟件系統(tǒng)薄片無軸承電機控制量大，控制算法復雜，且要求實時性很高。為實時、準確地實現(xiàn)控制策略，選用美國TI公司專門針對電機控制開發(fā)的控制芯片TMS320F2407A作為控制器，編制了運行高效、穩(wěn)定的控制軟件。

主程序中斷服務(wù)子程序主程序中斷服務(wù)子程序圖5-7程序框圖圖11程序框圖系統(tǒng)控制程序框圖如圖11所示，由主程序、周期定時中斷子程序組成。主程序中完成對系統(tǒng)初始化設(shè)置和變量定義，使能捕獲單元中的正交編碼電路以實現(xiàn)檢測速度，對兩套繞組電流和轉(zhuǎn)子