高速無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)

4 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)采用六齒三相1 對(duì)極結(jié)構(gòu)。定子外圈向下折，成立體形狀，如圖5(a)所示。此外，六個(gè)齒上加上了齒靴，減少了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的漏磁，提高永磁體的利用率。同時(shí)電機(jī)的磁路通過(guò)定子底層硅鋼片形成回路。定子每一齒極繞有一套懸浮繞組和一套轉(zhuǎn)矩繞組。轉(zhuǎn)矩繞組采用1 對(duì)極結(jié)構(gòu)，有助于降低電角頻率，適于高速運(yùn)行。霍爾角度傳感器和電渦流位置傳感器交替嵌于齒靴之間，如圖5(b)所示。定子線圈采用集中式繞組，可降低電機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，而且便于負(fù)載(如泵殼)的安裝，同時(shí)，齒與齒之間留出的空隙，為傳感器的安裝也提供了足夠的空間。

1 對(duì)極無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)的樣機(jī)如圖6 所示。電機(jī)定子外徑116 mm，鐵心長(zhǎng)度80 mm，采用的材料是普通0.25 mm 硅鋼片，線性相對(duì)磁導(dǎo)率約為3 000。每套轉(zhuǎn)矩繞組線圈有282 匝，每套懸浮繞組線圈有102 匝。轉(zhuǎn)子外徑53.2 mm，內(nèi)徑14.4 mm，軸向長(zhǎng)度14.5 mm，磁鋼為表貼式，材料為高能永磁材料(釹鐵硼)，剩磁1 050 mT，矯頑力844 kA/m，厚度2.5 mm，定轉(zhuǎn)子間氣隙3 mm。

5 控制系統(tǒng)和功率系統(tǒng)

無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)的控制系統(tǒng)由調(diào)制電路和以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320F2812 為核心的控制器組成，實(shí)物如圖7 所示。TMS320F2812DSP芯片功能強(qiáng)大，運(yùn)行速度快，具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備。150 MHz 的時(shí)鐘頻率保證了高轉(zhuǎn)速下控制策略的運(yùn)算;利用IQmath 實(shí)現(xiàn)以C 語(yǔ)言為主體，局部調(diào)用匯編指令的方式編寫的控制系統(tǒng)程序，可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和PID調(diào)節(jié)器的模塊化調(diào)用，從而簡(jiǎn)化了程序存儲(chǔ)空間，提高了軟件質(zhì)量;且芯片集成16 路的12 位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，為無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)所需的電流傳感器、霍爾角度傳感器、電渦流位置傳感器提供了足夠的通道和精度。

功率系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)完成控制器發(fā)出的指令。采用兩套三相電流控制型PWM 逆變器(CRPWM)，可以方便地控制轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組的三相電流。開關(guān)頻率為16 kHz。

6 電機(jī)性能試驗(yàn)

考慮到無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有軸承支撐，試驗(yàn)研究時(shí)，首先要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定懸浮。

圖8(a)為靜止懸浮時(shí)轉(zhuǎn)子在x方向和y 方向的位移波形?？梢钥闯觯?dāng)電機(jī)靜止懸浮的時(shí)候，轉(zhuǎn)子x、y 方向的位移波動(dòng)范圍約20 滋m，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮。圖8(b)為懸浮電流閉環(huán)波形，Ila、Ila* 分別為a相懸浮繞組的給定電流和反饋電流。由于永磁體提供了懸浮力偏置磁場(chǎng)，只需極小幅值的懸浮電流即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定懸浮。

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，給定250 Hz 的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和轉(zhuǎn)矩繞組電流閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)Itd=0 的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，經(jīng)過(guò)2 s的加速過(guò)程，轉(zhuǎn)速超過(guò)15 000 r/min，見圖9。轉(zhuǎn)子y 方向的偏移波形顯示，在啟動(dòng)階段，轉(zhuǎn)子的徑向偏移嚴(yán)重，幅值達(dá)到160 滋m，但仍處于懸浮狀態(tài)。經(jīng)過(guò)短暫調(diào)整，轉(zhuǎn)子徑向偏移趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)高速懸浮運(yùn)行。

圖10(a)為電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在15 000 r/min 時(shí)的轉(zhuǎn)子位移波形，轉(zhuǎn)子繞徑向平衡位置上下移動(dòng)，偏移的幅值已在80 滋m左右。相較于電機(jī)靜止時(shí)的穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，此時(shí)為克服轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)徑向的不穩(wěn)定性，徑向懸浮力隨之增大，懸浮繞組的電流幅值亦增大，幅值已接近1.5 A，如圖10(b)所示。通過(guò)懸浮系統(tǒng)電流PI 環(huán)節(jié)的閉環(huán)作用，a相懸浮繞組的反饋電流能夠始終跟隨給定電流，滿足懸浮磁場(chǎng)的定向控制要求。圖10(c)為電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)a 相轉(zhuǎn)矩繞組的給定電流Ita 和反饋電流Ita* 波形，通過(guò)轉(zhuǎn)矩電流PI 環(huán)節(jié)的閉環(huán)作用，轉(zhuǎn)矩的反饋電流和給定電流基本重合，幅值保持在0.6 A左右。

7 結(jié)語(yǔ)

本文推導(dǎo)了1對(duì)極無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)的徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型，并對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，降低了數(shù)字控制的復(fù)雜性;分析了原理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，搭建了控制系統(tǒng)和功率系統(tǒng);最后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了高速運(yùn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速在15 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子徑向移幅約80 滋m。且電機(jī)轉(zhuǎn)速可在0耀15 000 r/min 之間連續(xù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了全轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。