高速無軸承永磁薄片電機

1 無軸承永磁薄片電機介紹

無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徑向自由度、一個軸向自由度以及兩個扭轉方向自由度。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的自由度。

無軸承永磁薄片電機利用電機本身的驅動磁場作為偏置磁場，外加一個控制磁場實現徑向懸浮力控制。以1 對極無軸承永磁薄片電機為例，1對極的電機驅動磁場疊加上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，左側磁場減弱，右側磁場增強，產生了向右的徑向力，而在圖1(b)中磁場疊加后，上部磁場增強，下部磁場減弱，產生了向上的徑向力。

軸向和扭轉方向上的被動懸浮利用了薄片電機轉子的直徑遠小于軸向長度的結構特點和磁阻力總是有使磁路磁阻最小的趨勢的性質。如圖2(a)所示，當轉子發(fā)生軸向偏移時，磁拉力總會將轉子拉向磁阻最小的方向;而發(fā)生扭轉時，同理也會產生相應的磁拉力矩迫使轉子回到平衡位置，如圖2(b)所示。

除具備無軸承電機的無摩損、無機械噪音、無需潤滑、免維護、壽命長等優(yōu)點外，無軸承永磁薄片電機還有自己獨特的特點，主要體現在以下幾個方面：

1)軸向長度短，轉子成陀羅狀，利于高速運行;

2)電機結構簡單、緊湊、可靠性高、成本低;

3)定、轉子完全隔離，可實現較好的密封性能;

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的這些優(yōu)勢在生、化、醫(yī)、機電等領域的密封傳送和生產系統(tǒng)中具有獨特的應用價值。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的研究[2~6]，已有部分成果進入商品測試階段。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，最高轉速達12 600 r/min。

國內已有南京航空航天大學、西安交通大學、上海交通大學、沈陽工業(yè)大學、江蘇大學等數家單位開展了這項研究[7~13]。南京航空航天大學高速電機實驗室提出了一種集中式繞組的2 對極無軸承永磁薄片電機，最高轉速達到4 000 r/min。目前國內電機的轉速有待于進一步的提高。

本文推導了1 對極無軸承永磁薄片電機徑向懸浮力的精確數學模型，為實現高速運行，簡化了控制策略，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現高速運行時的穩(wěn)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1，兩個磁場的旋轉方向一致并且兩套繞組中的電流的頻率一致時，電機可以產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)取電機單位軸向長度進行分析;

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，如圖3 所示。

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