高速無(wú)軸承永磁薄片電機

1 無(wú)軸承永磁薄片電機介紹

無(wú)軸承永磁薄片電機是一種新穎的五自由度全懸浮功能的特種電機。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)繞軸向旋轉的自由度。

無(wú)軸承永磁薄片電機利用電機本身的驅動(dòng)磁場(chǎng)作為偏置磁場(chǎng)，外加一個(gè)控制磁場(chǎng)實(shí)現徑向懸浮力控制。以1 對極無(wú)軸承永磁薄片電機為例，1對極的電機驅動(dòng)磁場(chǎng)疊加上2 對極的控制磁場(chǎng)后，磁場(chǎng)的對稱(chēng)分布被打破，在圖1(a)中磁場(chǎng)疊加后，左側磁場(chǎng)減弱，右側磁場(chǎng)增強，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，下部磁場(chǎng)減弱，產(chǎn)生了向上的徑向力。

軸向和扭轉方向上的被動(dòng)懸浮利用了薄片電機轉子的直徑遠小于軸向長(cháng)度的結構特點(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，當轉子發(fā)生軸向偏移時(shí)，磁拉力總會(huì )將轉子拉向磁阻最小的方向;而發(fā)生扭轉時(shí)，同理也會(huì )產(chǎn)生相應的磁拉力矩迫使轉子回到平衡位置，如圖2(b)所示。

除具備無(wú)軸承電機的無(wú)摩損、無(wú)機械噪音、無(wú)需潤滑、免維護、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)外，無(wú)軸承永磁薄片電機還有自己獨特的特點(diǎn)，主要體現在以下幾個(gè)方面：

1)軸向長(cháng)度短，轉子成陀羅狀，利于高速運行;

2)電機結構簡(jiǎn)單、緊湊、可靠性高、成本低;

3)定、轉子完全隔離，可實(shí)現較好的密封性能;

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

無(wú)軸承永磁薄片電機的這些優(yōu)勢在生、化、醫、機電等領(lǐng)域的密封傳送和生產(chǎn)系統中具有獨特的應用價(jià)值。目前瑞士、德國、日本、美國、新加坡均在大力扶植這項高新技術(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(wú)軸承薄片電機，最高轉速達12 600 r/min。

國內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)等數家單位開(kāi)展了這項研究[7~13]。南京航空航天大學(xué)高速電機實(shí)驗室提出了一種集中式繞組的2 對極無(wú)軸承永磁薄片電機，最高轉速達到4 000 r/min。目前國內電機的轉速有待于進(jìn)一步的提高。

本文推導了1 對極無(wú)軸承永磁薄片電機徑向懸浮力的精確數學(xué)模型，為實(shí)現高速運行，簡(jiǎn)化了控制策略，優(yōu)化了電機結構，并搭建了一套原理樣機的試驗平臺。試驗表明樣機可以實(shí)現高速運行時(shí)的穩定懸浮。

2 理論基礎

在文獻[14~15]中，證明了當轉矩繞組和磁懸浮繞組的極對數p1、p2 相差1，兩個(gè)磁場(chǎng)的旋轉方向一致并且兩套繞組中的電流的頻率一致時(shí)，電機可以產(chǎn)生可控的徑向懸浮力。以轉矩繞組1 對極、懸浮繞組2 對極、整數匝、不跨繞的表貼式無(wú)軸承永磁薄片電機為例，推導電機的徑向懸浮力與轉矩的數學(xué)模型。推導中作如下假設：

1)忽略漏磁和磁路飽和;

2)取電機單位軸向長(cháng)度進(jìn)行分析;

3)設永磁體的相對磁導率為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，繞組配置為懸浮繞組2 對極，各齒上的相數分配為(1：Al，3：Bl，5：Cl，4：Al，6：Bl，2：Cl);轉矩繞組1 對極，各齒上的相數分配為(1：Ar，2：Br，3：Ct，4：-At，5：-Bt，6：-Ct)。將集中式繞組表貼式電機的氣隙展開(kāi)，如圖3 所示。

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