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(zhuǎn)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(zhuǎn)的自由度。

無軸承永磁薄片電機利用電機本身的驅(qū)動磁場作為偏置磁場，外加一個控制磁場實現(xiàn)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(qū)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(cè)磁場減弱，右側(cè)磁場增強，產(chǎn)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(chǎn)生了向上的徑向力。

軸向和扭轉(zhuǎn)方向上的被動懸浮利用了薄片電機轉(zhuǎn)子的直徑遠(yuǎn)小于軸向長度的結(jié)構(gòu)特點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(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向偏移時，磁拉力總會將轉(zhuǎn)子拉向磁阻最小的方向;而發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，同理也會產(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(xiàn)在以下幾個方面：

1)軸向長度短，轉(zhuǎn)子成陀羅狀，利于高速運行;

2)電機結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠性高、成本低;

3)定、轉(zhuǎn)子完全隔離，可實現(xiàn)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(lǐng)域的密封傳送和生產(chǎn)系統(tǒng)中具有獨特的應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)速達(dá)12 600 r/min。

國內(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)、沈陽工業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等數(shù)家單位開展了這項研究[7~13]。南京航空航天大學(xué)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(zhuǎn)速達(dá)到4 000 r/min。目前國內(nèi)電機的轉(zhuǎn)速有待于進一步的提高。

本文推導(dǎo)了1 對極無軸承永磁薄片電機徑向懸浮力的精確數(shù)學(xué)模型，為實現(xiàn)高速運行，簡化了控制策略，優(yōu)化了電機結(jié)構(gòu)，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(xiàn)高速運行時的穩(wěn)定懸浮。

2 理論基礎(chǔ)

在文獻[14~15]中，證明了當(dāng)轉(zhuǎn)矩繞組和磁懸浮繞組的極對數(shù)p1、p2 相差1，兩個磁場的旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生可控的徑向懸浮力。以轉(zhuǎn)矩繞組1 對極、懸浮繞組2 對極、整數(shù)匝、不跨繞的表貼式無軸承永磁薄片電機為例，推導(dǎo)電機的徑向懸浮力與轉(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)取電機單位軸向長度進行分析;

3)設(shè)永磁體的相對磁導(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的氣隙展開，如圖3 所示。

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