（电力电子与电力传动专业论文）无轴承永磁薄片电机的研究.pdf

南京航空航天大学硕士论文 a b s t r a c t t h e b e a r i n g l e s ss l i c em o t o r u t i l i z e st h eb e a r i n g l e s st e c h n o l o g yt or e a l i z et h e r a d i a ls u s p e n s i o n ，a n dr e a l i z et h es u s p e n s i o no f t h eo t h e r3f r e e d o m d e g r e e sb y t h e r e l u c t a n c ef o r c e i ti san e w h i g h - i n t e g r a t i o nm a g n e t i cs u s p e n s i o nm o t o r w h i c h h a sa g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef i e l d so f u l t r a p u r ed r i v i n g a n dt h ep o s ec o n t r o lo f t h es p a e e c r a f i i nt h i sp a p e r , f i r s t ，t h eb a s i c p r i n c i p l eo fs u s p e n s i o no f t h eb e a r i n g l e s s p e r m a n e n tm a g n e t i c s l i c em o t o ri si n t r o d u c e d s e c o n d ，t h ef o r m u l ao f t h er a d i a l f o r c eo fas i x - t o o t hs t r u c t u r ei sd e d u c e d b ye q u a lm a g n e t i c c i r c u i tm o d e la n dp r o v e d b y t h ea n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n t a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi si n t r o d u c e do nt h eb a s e o f t h er a d i a lf o r c em o d e l t h i r d ，t h ek e yt e c h n o l o g yo f t h eb e a r i n g l e s ss l i c em o t o ri s d i s c u s s e d a tl a s tt h er e a l i z a t i o no ft h ep r o t o t y p ei sd e t a i l e d k e y w o r d ：b e a r i n g l e s sm o t o r ，m a g n e t i cs u s p e n s i o n ，s l i c em o t o r , s u s p e n s i o n i n f i v e 行e e d o m d e g r e e s 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文 中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：廛虚弱 日期：。丁，3 寥 南京航空航天大学硕士论文 注释表 电机轴向长度 传感器所在圆周到未偏心转子外圆的距离 第i 传感器到偏心后的转子外圆的距离 传感器所在圆周到未偏心转子中心点的距离 第i 传感器到偏心后的转子中心点的距离 转子偏离中心位置的距离 各齿对转子产生的磁拉力 转子x 方向上的磁拉力 转子y 方向上的磁拉力 第i 齿上的永磁等效电流 永磁等效电流幅值 永磁等效电流d 轴分量 永磁等效电流q 轴分量 第i 齿上的转矩电流 转矩电流幅值 转矩电流d 轴分量 转矩电流q 轴分量 第i 齿上的悬浮电流 悬浮电流幅值 悬浮电流d 轴分量 悬浮电流q 轴分量 悬浮力计算系数 齿数 转矩磁场极对数 悬浮磁场极对数 转子半径 气隙磁阻 d西如功比岛曩足毋s亏船岛厶钿如。厶幻岛七聆肌融，r 无轴承永磁薄片电机的研究 永磁磁场在第f 齿处的等效磁势 转矩绕组产生的磁势 悬浮绕组产生的磁势 转矩绕组匝数 永磁磁场等效匝数 悬浮绕组匝数 转子在x 方向上的偏移 转子在y 方向上的偏移 定子齿弧 转矩电流的初相 悬浮电流的初相 永磁等效电流的初相 转子电角速度 第f 齿的磁通 转子转角 转子电角度转角吩职劫耶。厶以砂办b，毋 南京航空航天大学硕士论文 第一章绪论 1 1 无轴承永磁薄片电机的概念 无轴承永磁薄片电机是一种特殊的永磁电机。薄片一词说明这种电机的轴 向长度与电机的直径相比很短，呈薄片状( 在部分文献中也称为陀螺状) 。无 轴承一词说明这是一种采用无轴承技术的磁悬浮电机，即不需要额外的轴承( 包 括普通轴承和磁轴承) 实现电机转子的悬浮。这种电机在生化、医疗、航天等 领域具有广泛的用途。图1 1 所示为这种电机的一种典型结构。同普通电机一 样，这种电机由定子、永磁转子、线圈构成。但不同于普通电机的是，这种电 机有两套绕组，如图1 1 ( b ) 所示( 内圈的一套线圈为转矩绕组，外圈的一套 线圈为悬浮绕组) 。 b ) 图1 i 无轴承永磁薄片电机结构图 1 2 无轴承永磁薄片电机的特点 无轴承永磁薄片电机是一种磁悬浮电机，所以磁悬浮电机所具有的特点它 都具有，如：无接触、无磨损、高转速、长寿命等。同时这种电机又无需额外 的磁轴承，轴向长度又很短，所以这种电机还具有结构简单、可靠性高、成本 低廉、轴向利用率高、集成度高、较容易实现超高转速等特点。 无轴承永磁薄片电机的研究 1 3 无轴承永磁薄片电机的基本工作原理 图1 2 磁轴承系统 无轴承永磁薄片电机实际上是磁轴承和电机的集成，所以在介绍无轴承永 磁薄片电机的工作原理前，先来看看磁轴承是怎样工作的。磁轴承按工作方式 可以分为主动式和被动式两种“。1 。如图1 2 ( a ) 所示是个典型的主动式磁悬 浮系统，整个系统由被悬浮物体( 即转子) 、位移传感器、控制器和功率放大 器组成，传感器检测出转子偏移参考点( 平衡位置) 的位移量，控制器将检测 到的位移量变成相应的控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制 电流，控制电流在力学模型的执行磁铁中产生磁力，从而使转子维持其悬浮位 置不变，达到转子悬浮的目的；而图1 2 ( b ) 中所示的则是一个典型的被动 磁悬浮系统，转子的两端各有一个径向轴承，而转子在轴向上( 即图中的左右 方向上) 发生偏移时，磁拉力会将转子拉回平衡位置，这样就达到了轴向稳定 的目的。从性能的角度来说，主动磁轴承的性能要明显优于被动磁轴承，但从 系统构成的角度来说，被动磁轴承要比主动磁轴承简单得多。另外，由于依靠 被动磁轴承实现五个自由度( 包括z ，y ，= 和绕x ，y 旋转这五个自由度) 的全 悬浮是不可能的，一般被动磁轴承必须要和主动磁轴承结合使用，如图1 2 ( c ) 所示就是一个混合磁轴承系统，包括两个径向主动磁轴承和一个轴向被动磁轴 承，这样就达到了五自由度的全悬浮“1 9 1 。 无轴承永磁薄片电机正是这样一种混合磁悬浮系统，只在径向方向上实施 主动控制，其他各自由度均采用被动悬浮。 首先介绍无轴承永磁薄片电机的径向悬浮的基本原理。无轴承永磁薄片电 机的径向悬浮系统采用的是无轴承磁悬浮技术，这是一种主动磁悬浮技术。这 项技术与传统意义上的磁轴承技术既有相同点也有不同点。传统的磁轴承一般 需要一个稳定的偏置磁场，这个偏置磁场可以由电磁来提供也可以由永磁来提 2 南京航空航天大学硕士论文 供，如图1 3 所示，图中实线磁力线为偏置磁场，虚线磁力线为控制磁场。在 图( a ) 中控制磁场与偏置磁场叠加后，转予上部的磁场增强，相应的麦克斯韦 力增强；下部的磁场减弱，相应的麦克斯韦力减弱。最终产生一个方向向上的 合力。在图( b ) 中控制磁场与偏置磁场叠加后，转子右边的磁场增强，相应的 麦克斯韦力增强；左边的磁场减弱，相应的麦克斯韦力减弱。最终产生一个方 向向右的合力。通过控制磁场的变化就可以产生所需的悬浮力，实现转子悬浮。 从图中可以看出偏置磁场和两对极电机内的磁场非常相似，那么是否可以利用 电机本身的驱动磁场作为偏置磁场，外加一个控制磁场来达到使转子悬浮的目 的? 豢；l 蚤 公| | 图1 4 径向悬浮力产生示意图 图1 4 显示了这种可能性“”，在图中可以看出，悬浮力的产生原理同磁轴 承的悬浮力产生原理相同。两对极的电机驱动磁场叠加上一对极的控制磁场后， 磁场的对称分布被打破，在( a ) 图中磁场叠加后，左侧磁场减弱，右侧磁场增 无轴承永磁薄片电机的研究 强，产生了向右的径向力，而在( b ) 图中磁场叠加后，上部磁场增强，下部磁 场减弱，产生了向上的径向力。但是电机里的驱动磁场和磁轴承力的偏置磁场 有一个根本的不同点：电机的驱动磁场是动态变化的，而偏置磁场则是静态的。 这就要求动态的跟踪电机里的磁场并且动态的与转矩控制解耦计算并产生控制 磁场，这就是说要根据驱动磁场的状态来动态的产生控制磁场，至于如何根据 驱动磁场的状态来决定控制磁场就是这项技术的难点所在，将在第二章中详细 介绍。以上就是无轴承永磁薄片电机的径向悬浮的基本原理。 下面介绍轴向和扭转方向上的被动悬浮原理。在轴向和扭转方向上的被动 悬浮利用了薄片电机转子的轴向长度较直径小得多的结构特点和磁阻力总是有 使磁路磁阻最小的趋势的性质。如图1 5 ( a ) 所示，当转子发生轴向偏移的时， 磁拉力总会将转子拉向磁阻最小的方向拉；而发生扭转时，同理也会产生相应 的磁拉力矩迫使转子回到平衡位置，如图1 5 ( b ) 所示o “。 图1 5 轴向和扭转方向上的被动悬浮 综上所述，无轴承永磁薄片电机转子的两个径向自由度、一个轴向自由度 以及两个扭转方向自由度，共五个自由度都得到了限制，只释放了一个旋转自 由度，从而构成了一个五自由度全悬浮旋转系统。 1 4 无轴承永磁薄片电机的应用 由于无轴承薄片电机既具有磁轴承的无接触、无磨损、无润滑、无机械噪 音等的特点，又具有结构简单、可靠性高、成本低的特点，这给其在小型和微 型驱动领域内应用带来了独特的优势。特别是其无接触、无磨损的特性，使其 在超纯净驱动领域极具应用优势。 超洁净驱动技术是随着现代科技的进步而发展的一种高密封性，超洁净性， 无交叉污染的一种绿色驱动装置。它被广泛应用于现代工业、医疗卫生等领域， 以血泵为例，血泵是在开胸、开颅等大型手术中，给病人提供压力、流速可调 南京航空航天大学硕士论文 的血液，如图1 6 ；或作为心脏移植手术前的临时心脏和手术后的人工一t l , 脏使用 “。要求其结构简单、密封性能好、起动容积小、压力可调节、容易安装泵头、 且便于一次性处理。血泵发展过程中的滚子血泵、磁耦合离心泵或因易造成血 液损坏、微粒污染，或因摩擦和发热引起溶血、凝血和血栓均不能完全满足血 泵的要求“。目前国外心脏手术普遍采用的磁轴承离心泵，仅泵头就高达2 5 0 马克( 折合人民币近9 0 0 元) ，一次性处理代价太高；另外由于磁轴承离- t l , 泵 难以微型化，在人工心脏或作为辅助心脏使用中存在局限性。除此之外，在生 物制药、化工、核废料处理等领域的密封传送和生产系统中为保证一些物质如 药品、酶类在生化反应过程中避免受到外面的热源和微生物进入，或避免危险 物质被工作人员接触或对环境造成污染，其中广泛地采用超洁净驱动技术，如 密封动力泵。影响动力泵使用寿命的主要因素是其轴承问题。由于密封、磨损 和润滑原因，采用磁悬浮轴承是较佳的选择方案。但因磁轴承系统占有相当的 轴向空间、成本高，其应用范围受到限制。而无轴承薄片电机的轴向利用率近 1 0 0 ，而且结构更为简单，转轴与泵头易于一体化，再加上无磨损、低噪音、 高转速等特点，在超洁净驱动领域应用优势非常明显。 输a 图1 6 无轴承人工血泵 同时由于无轴承薄片电机的高度集成性，和其独特的陀螺状转子，在陀螺 仪和卫星姿态控制方面也具有良好的应用潜力。 1 5 无轴承永磁薄片电机的研究背景和现状 1 5 1 研究背景 无轴承永磁薄片电机的研究 无轴承永磁薄片电机是一种磁悬浮电机，是磁轴承技术发展的一个重要方 向，所以在介绍这种电机以前有必要先看一看磁轴承技术的发展状况。 磁轴承是一种利用磁力将转子悬浮于空中，使旋转体和支撑体之间没有任 何机械接触的新型高性能轴承。现代电力电子技术和微机控制技术的蓬勃发展， 以及市场对于高速电机的需求，促成了磁轴承技术的日益进步和成熟。相比于 传统的支撑技术，磁轴承具有：无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声、高速 度、高精度、长寿命等一系列优良特性。国内外已对其作过全面而深入的研究， 使得它在能源交通、机械加工工业、航空航天及机器人等高速驱动领域获得了 广泛的实际应用。但是在实际的应用中，发现磁轴承存在以下一些问题： 1 轴向长度太长。从图1 7 ( a ) 中可以看出，在轴向上除了电机旋转驱动 系统外，还加上了两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，这样就造成了电机的轴 向利用率的大幅下降，限制了电机临界转速的提高。 2 结构复杂。同样从图1 7 ( a ) 中可以看出，在传统磁轴承电机的轴向上 除了电机旋转的驱动系统外，还加上了两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承，而 且磁轴承的控制系统也是一个相当复杂的系统，这些都造成了磁轴承总体系统 的复杂性。 3 成本太高。磁轴承需要一定数量的励磁线圈、高性能的功率放大器、造 价不菲的传感器、高性能的控制器、复杂的控制系统和精密的机械结构，这些 都造成了磁轴承的成本居高不下。 径良盛辅承轴向蠢妊奄机径向黼承字釜鼗商叠黥电鼗爹是勰 ( a ) 礁轴承电帆( b ) 冤轴敲氆枫 ( c ) 剩片电机 图1 7 磁轴承电机、无轴承电机和无轴承薄片电机 无轴承技术的实现可以说是磁轴承技术发展的一大突破。在径向磁轴承中 为了能产生可控的磁悬浮力，一般需要在其中先产生一个偏置磁场，然后再产 生一个控制磁场，通过对控制磁场的控制达到控制悬浮力的目的。偏置磁场一 般为恒定磁场。电机中的驱动磁场虽然不是恒定磁场，但是其变化规律却是可 南京航空航天大学硕士论文 以被掌握的，并且是对称分布的。无轴承技术正是利用了这一点，既将电机中 的驱动磁场作为偏置磁场，外蕊一套绕组产生激励磁场，来达到产生悬浮力的 目的。这样电机的驱动系统和径向磁轴承系统就可以合二为，大幅缩短了电 机轴向长度，提高了电枫的轴向利用率。为了实现电机转子在五个自出度上的 悬浮，一般需要两个无轴承电机和一个轴向轴承构成，如图1 7 ( b ) 所示。与 磁轴承电机相比，这种结构的电机的磁悬浮绕组绕在定予上，不占用额外的轴 向空间，无轴承电机的轴向长度可以设计的较短，l 临界转速可以较大的提高。 这样就克服了磁轴承的袖向长度太长的缺点，但是系统的复杂性和成本方面并 没有得到有效的改善，这也限制了磁悬浮技术的广泛应用。 无轴承薄片电机的出现弥补了现有磁悬浮系统结构复杂、成本昂贵的致命 缺点。这种电机在利用无轴承技术实现径向悬浮的基础上依靠磁阻力实现其 他三个自由度上的被动悬浮。从而彻底舍弃了两端的径向磁轴承和一个轴向磁 轴承，达到了结构简化的目的，并且使轴向利用率达到了近1 0 0 的水平。这种 电机除具有磁悬浮技术的无接触、无磨损、无涧滑、无机械噪音等的特点外， 还具有轴向利用率高、体积小、结构简单、可靠性高、功耗低、成本廉等一系 列优点，特别是其结构简单和低成本的特点给磁轴承技术的产业化带来了曙光， 并且极有可能成为磁轴承技术产业化的突破口。 1 5 2 研究现状 无轴承电机的概念最初是由r b o s c h 于8 0 年代末提出“1 ，文献【5 】中针对永 磁同步电机( 极对数为p ) 提出在电视定子上再叠绕极对数为l p 的悬浮力控 制绕组，利用矢量控制成功地实现径向悬浮力和旋转力矩之间的解耦。至此， 无轴承电机的研究弓l 起了国外广泛的重视。随着电力电子技术、高性能的数字 信号处理器和高精密传感器技术的发展，无轴承电机的应用已不仅仅局限于高 速驱动领域，在一些生、化、医、枫电等特殊领域也逐渐展示其独特的优越性。 正因为如此，无轴承电机受到了工业界的高度重视，瑞士、德国、日本、美国 均在大力资助这项高新技术的研究，在今后檑当一段时阕内将是高速电机研究 领域的热点。国际上从九十年代至今，已经有日本的a c h i b a 等人对异步电机 的无轴承技术溉8 ”、永磁同步电机的无轴承技术“4 ”1 、开关磁阻电机的无轴承技 术”“1 进行了研究。瑞士的r s c h 6 b 研究了异步电机的无轴承技术”1 和薄片状 无轴承奄机【i l lo 就目前研究水平面言，瑞士联邦工业学院( e t h ) 和东京理工 无轴承永磁薄片电机的研究 大学( s c i e n c eu n i v e r s i t yo f t o k y o ) 在无轴承电机研究领域处于领先地位，并有 部分成果进入商品测试阶段“”。 在瑞士、日本等国家相继成功实现无轴承电机的稳定运行和悬浮工作后， 电机的无轴承技术受到了国内众多专家学者的广泛关注。借鉴国外成功实现电 机无轴承技术的先进经验，近一两 大学、上海交通大学、沈阳工业大 究。目前，南京航空航天大学已经 两自由度无轴承永磁同步电动机、 行。在无轴承永磁薄片电机方面， 国外由瑞士联邦工学院( e t h ) 的n a t a l eb a r l e t t a 和r e t os c h o b 率先实现了无 轴承永磁薄片电机的悬浮，基于无轴承薄片电机的人工血泵已进入临床试验阶 段“。无轴承永磁薄片电机技术目前在国内尚属比较新的研究课题，国内只有 南京航空航天大学、沈阳工业大学、江苏大学等高校在开展这方面的研究。 1 6 本课题的研究意义和研究内容 1 6 1 研究意义 无轴承薄片电机带来的一系列的优点，特别是其在超纯净驱动领域所具有 的独特的应用优势让人们看到了磁轴承技术产业化的曙光。图1 6 为无轴承人 工血泵结构示意图，从图中可以看出该血泵具有如下特点：不需要主轴，转 子与泵头一体化，设计更为灵活；泵头组装、清洗和替换容易；采用叶轮 传动，血细胞损坏率极低；泵室结构简单、不存在密封问题；次性处理 代价低( 泵头成本只有原来的i 4 ) 。除此之外，无轴承薄片电机在生物制药、 化工、医疗机械、半导体制造等超洁净驱动领域以及航空航天等领域也具有非 常广泛的应用前景。本课题选择无轴承薄片电机中的永磁电机作为研究对象， 使其尽快的应用到实际生产中，将为磁轴承技术的产业化提供一条可行之路。 1 6 2 研究内容 本文的内容是按照先理论后实践的顺序展开的： 在第一章绪论中，主要介绍了无轴承永磁薄片电机的概念、特点、基本工 南京航空航天大学硕士论文 作原理、应用前景、发展过程、研究现状、研究意义等内容。 在第二章无轴承永磁薄片电机的悬浮机理及其数学模型中，对无轴承永磁 薄片电机的悬浮机理作了深入的研究，用磁路模型推导了六齿结构的径向悬浮 力数学模型，并用有限元分析的方法对这个数学模型进行了验证，在这章的最 后给出了基于这个数学模型的控制系统。 在第三章无轴承永磁薄片电机中的关键技术中，对无轴承永磁薄片电机中 的一些关键技术作了阐述，如：无轴承永磁薄片电机的电机设计、传感器的设 计和选择、控制器的设计、功率电路的设计。通过这一章的阐述，介绍了无轴 承永磁薄片电机系统的一些设计方法和设计原则，以及各种可供参考的候选方 案。 在第四章无轴承永磁薄片电机原理样机及其控制器的实现中，详细介绍了 无轴承薄片电机原理样机的研制过程，包括各方案的确定、参数的确定以及软 件系统的编制，最后对原理样机的悬浮性能进行了检测。 在第五章结束语中，首先对本文所作的工作进行了总结，其次对无轴承永 磁薄片电机的发展作了展望，最后指出了下一步工作的重点。 南京航空航天大学硕士论文 第二章无轴承永磁薄片电机悬浮原理及其数学模型 2 1 引言 在前一章绪论中，解决了无轴承永磁薄片电机是什么以及如何工作的问题， 在这一章中将详细介绍无轴承永磁薄片电机的工作机理及其数学模型，并在其 数学模型的基础上确立控制模型。 无轴承永磁薄片电机本身就是一种永磁电机，其旋转的原理与一般永磁电 机无异，所以这一章所阐述的重点集中在无轴承永磁薄片电机的悬浮原理上。 要实现无轴承永磁薄片电机转子的全悬浮必须在五个自由度上都实施限制；这 五个自由度包括两个径向自由度，两个扭转自由度，一个轴向自由度：其中两 个径向自由度上的限制属于主动悬浮，两个扭转自由度和一个轴向自由度上的 限制属于被动悬浮。在本章中将先介绍径向主动悬浮，再介绍被动悬浮，最后 介绍控制策略。 可以想象，电机转子在各个自由度上的悬浮是相互影响，相互耦合的，如 果考虑这方面的影响，那么悬浮力的数学模型将是非常复杂的。为了简化控制 模型，同时考虑到，实现悬浮时转子在各个自由度上的脉动幅度都是很小的， 所以暂且认为这种各自由度间的相互影响可以忽略不计。以下的讨论都在这一 假设前提之下。 2 2 无轴承永磁薄片电机的径向悬浮力数学模型 无轴承永磁薄片电机径向悬浮采用的是无轴承技术。无轴承技术的核，1 1 , 思 想就是利用新引入的p 2 对极磁场打破电机中原有的p 1 对极磁场的对称分布，达 到电机气隙磁场分布不对称的效果，从而产生磁悬浮力。在文献。“中，证明了 在满足如下条件时，电机中即可产生可控的悬浮力： 1 p 2 = p l 1 2 两个磁场的旋转方向一致。 3 两套绕组中的电流的频率一致。 无轴承永磁薄片电机的研究 文献。”进一步说明了在减小电机结构复杂性和电机成本的基础上，如何合 理选择永磁电机转矩绕组和磁悬浮绕组的极对数p i 、见。文中在分别分析了转 矩绕组和磁悬浮绕组产生的谐波磁场与径向力的关系后，得出结论：极对数 p l 2 、p 2 2 时，径向力受谐波磁链影响很小，但极对数增加会使电机结构复杂， 成本上升，通常使极对数2 。而且转子永磁体的谐波磁链相对于定子来说容易 减小，因此推荐的极对数为p i _ 2 ，p 2 = l 。 在不考虑边缘效应的条件下，无轴承永磁薄片电机的径向悬浮力的数学模 型与普通无轴承永磁同步电机的径向悬浮力的数学模型是完全样的。 对于分布式绕组的无轴承永磁同步电机的径向力数学模型的推导，文献0 2 1 中有详细的介绍。本节主要对后面将用到的六齿集中式绕组结构的径向悬浮力 进行推导。本文将采用磁路分析的方法对如图1 1 所示的集中式绕组的无轴承 永磁电机的径向悬浮力进行推导，推导的前提是忽略边缘效应和漏磁，最后用 有限元分析对其进行了验证。 以两对极六齿集中式绕组的永磁电机为例，结构图如图1 1 ( b ) 所示。把 六个齿编号为1 6 ，齿上的内外两套绕组分别为转矩绕组和悬浮绕组，分别以 下标m ( m a s t e r ) 和s ( s l a v e ) 来表示，z 轴取1 号齿的中间线。 转矩绕组为2 对极，悬浮绕组为1 对极。则6 个转矩绕组中的电流可分别 表示为： i = l c o s ( c o t 十以) 2 = lc o s ( c o t 一1 2 0 + 丸) 3 = i m c o s ( c o t 一2 4 0 + 厶) 、 4 = ，埘c o s ( c o t + 九) 、 5 = c o s ( c o t 一1 2 0 + 以) 0 6 = l c o s ( c o t 一2 4 0 + 以) 式中l 为转矩绕组电流的初相，厶为幅值，0 9 为电流角频率。 6 个悬浮控制绕组中的电流为： 南京航空航天大学硕士论文 t 1 = i sc o s ( f + 五) 岛= lc o s ( 缈t 一1 2 0 + 以) s ( , ，c o s ( c g t - 2 4 ，0 、+ 2 s ) ( 2 2 ) 4 = 一，c o s ( w t + 丑) 、7 l s 6 = 一lc o s ( o ) t 一1 2 0 + 五) 2 = 一lc o s ( m t 一2 4 0 + 五) 式中以为悬浮绕组电流的初相，五为幅值。 如果转子永磁磁场为正弦分布的两对极磁场，将转子磁场近似等效为如下 线圈所产生的磁场，转子线圈中通以三相电流以近似模拟两对极正弦永磁磁场， 如图2 1 所示： 图2 1 转子永磁磁场等效图 其在第i 齿处的对应的等效电流扔为： i j i = j c o s ( t + 乃) i j 2 = i fc o s ( t 一1 2 0 + 九0 3 = i ic o s ( 功一2 4 0 + 乃) 啊= i fc o s ( o r + 力) l f 5 = i fc o s ( 甜t 一1 2 0 + 0 e 1 = jrc o s ( t 一2 4 0 + 2 j 1 式中厶为等效电流的幅值，母为初相。 ( 2 3 ) 无轴承永磁薄片电机的研究 忽略漏磁，根据图2 1 ，电机的等效磁路如图2 2 所示。 c ：r l r 习1 - t 可可tt t i 工工工工丁 图2 2 电机等效磁路 图中【厶。( f ：l 6 ) 为转矩绕组产生的磁势，为悬浮绕组产生的磁势， 为永磁磁场在第i 齿处的等效磁势，谚，为每齿气隙磁通，即通过第i 齿的磁 通，冗为气隙磁阻，则有： j ，= 既， 髀2 纂吃 (24)v 【j , = i x 一 f ：l 6 式中阡么为转矩绕组匝数，磁为悬浮绕组匝数，盼为永磁磁场等效匝数。 根据磁通连续性原理，列写磁通方程组： r 。破一u 。l 一玑【一u ，1 = u r 唬一u 。2 一u 2 一u r 2 = u r 晚一u 。3 一e 3 一u r 3 = u r 死一u 。4 一q 4 一u ，4 = u( 2 5 ) r 珐一u 。5 一5 一u ，5 = u r 纯一u 。6 一以6 一u 6 = u 西+ 也+ 鸡+ 丸+ 戎+ 丸= 0 解之可得西： 谚= 半 ( 2 6 ) 近似认为每个定子齿和转子之间的气隙中的磁场均匀分布并忽略边缘效 南京航空航天大学硕士论文 应，则各齿气隙处磁通密度为： b i = 棘s = 谚( r 口d ) f ：1 6 式中：r 为转子半径，a 为定子齿孤，l d 为电机长度 、 ( 2 7 ) 图2 3 微元磁拉力的分解图 当转子未发生径向偏移时，磁拉力可以分解为x 分量和y 分量，如图2 3 所示，y 分量上下对称相互抵消，所以只对磁拉力的z 分量进行积分。根据麦： 克斯韦吸力公式，得各齿对转子产生的磁拉力为： 。一 。 。 e = f 抒c o s c 印= 巴气磊高：莎二篙了s i n c 口忉固 幽2 4 各齿对转子的磁拉力 6 个齿对转子的磁拉力如图2 4 所示，则x 、y 方向上的合力为： r6 l e = fc o s 6 0 ( i - 1 ) 。：1 ( 2 9 ) l = f ，s i n 6 0 ( i 一1 ) 】 无轴承永磁薄片电机的研究 将e 代入上式，并假设盱既，化简后得： f 只= k ，l lc o s ( 以一九) + ，c o s ( 以一旯，) 】 1 ：一后 厶s i n ( 五一九) + ：，s i n ( 丑一j 棚 2 1 0 t ：3 w , , w ；s i n ( o r 2 ) 式中1 a o r d r 2 口2 图2 5 有限兀模型图 以上径向磁悬浮力的解析表达式可以通过a n s y s 的3 d 电磁场有限元分析 来验证。对2 对极、6 齿、无极靴、齿宽1 6n l m 、转子外径6 1 m m 、长1 0r n m 、 永磁体最厚处3i 1 n 、矫顽力8 3 4 k a m 、剩磁1 0 6 5 t 、气隙2m m 、转矩绕组 和悬浮绕组的电流幅值为5 0 0 安匝的电机进行有限元分析。经计算，气隙磁阻 一一为2 7 3 0 8 e + 0 0 7 a w b ，通过有限元分析得永磁等效电流的幅值仁1 7 2 0 安匝。建 立有限元模型如图2 5 所示，分析结果如图2 6 所示。 r a d i a lf o r c ev sc u r p - , n tp h a s er a d i a lf o r c ev sc u r r e n ta m p l i t u d e 1 6 s u s p e n s i o nc u r r e n tp h a s e ( 。) c a ) s u s p s n a i o t ic u m n ta m p l i t u d e ( 1 f l o a n ( b l 图2 6 径向力仿真结果和计算值的比较 蹲罄 一 【：，、， 一 一x 上、 一寸 一 a 。 一 一 1 ) 一 薹隧 一z百golj基glbp* 南京航空航天大学硕士论文 图2 6 ( a ) 是e 和毋关于 。的关系，从图中可以看出r ，b 与 。为余 弦和正弦关系，与式( 2 1 0 ) 计算值基本吻合；图2 6 ( b ) 是e 和r 关于厶的 关系，从图中可以看出b 、b 与厶呈线性关系，与式计算值基本吻合。由此可 以得出虽然忽略了边缘效应和漏磁，永磁薄片电机中径向悬浮力和控制电流之 间的关系仍可以用式( 2 1 0 ) 来近似描述。 2 3 无轴承永磁薄片电机的被动悬浮力分析 百 世 1 2 卷 盘 i 聋 a x i a lf o r c ev sa x i a ld i s p l a c e m e n t 1 2 r i i i i l7 1 0f 一 、 r 一一一t 二一一j ， l i 7 l 8 一一一一 r 一一一一j r i 1 1 ， 6 l ； j 一o 一；一 r o t o ra x i a ld i s p l a c e m e n t ( m m ) ( a ) t o r s i o nt o r q u ev sr o t o ra n g l e 一4 5_ 3 01 501 53 04 5 r o t o ra n g l e ( 。) ( b ) 图2 7 被动悬浮力有限元仿真结果 由于被动悬浮不需要控制，对数学模型的依赖不高，所以直接采用有限元 仿真的方法进行分析，仍对前述模型进行仿真，结果如图2 7 所示。 图2 7 ( a ) 为回复磁拉力的大小与轴向偏移量的关系，从图中可以看出在 转子轴向偏离中心位置一定范围内( o 6 m m ) ，回复磁拉力的大小会随着偏移 量的变大而变大，并且成线形增长。 图2 7 ( b ) 中的曲线分别是在扭转角为2 。、4 。、6 。时，扭矩和转子磁 化方向与扭转轴之间的夹角的关系。从中可以看出回复扭矩的大小不仅随着扭 转角度变大而变大而且还与转子磁化方向与扭转轴之间的夹角有关系，并且近 似为余弦的关系。 2 4 控制策略 (山n一当go上 无轴承永磁薄片电机的研究 根据矢量相乘法则将( 2 1 0 ) 变换到同步由坐标系中为： f i = k 。h i 懈d i 柑+ l 嗍is q l 十( i f d i d + 】国i s q m 1 = 一七【( k 一l ) + ( 如k 一l ) 】 21 1 厶小厶。、幻、k 、妇、疡分别为厶、和矗在d 轴和叮轴上对应分量。 显然等效永磁电流的交轴分量岛= o 、直轴分量珈= 咖电机采用b 卸的 转子磁场定向控制，则厶d 印，进一步简化得： 根据上式可得： t = k - u 0 w + i f i “1 仨：- k - 一z j 。+ b i j 。1 2 卜= 耥 l = 丽f j z - g b 根据上式，设计如图7 所示的控制框图 r 2 1 3 ) 图2 , 8 控制框图 整个控制系统分旋转驱动系统和悬浮系统两个子系统。驱动系统采用i a , = 0 的转子磁场矢量控制，形成转速闭环。c r p w m 为电流控制型p w m 逆变器。 悬浮系统在取得转子位置反馈信号后经p i d 控制器调节后得到给定b 和r ，再 南京航空航天大学硕十论文 经解耦模型，即式( 2 1 3 ) ，可得出悬浮绕组的电流，经2 3 变换后送至逆变器， 电流控制性逆变器再将电流注入悬浮绕组。 2 5 小结 本章详细介绍了无轴承永磁薄片电机的悬浮机理及其数学模型，并在其基 础上确定了控制黄略，实现了旋转和悬浮之间的解耦控制，为实现无轴承永磁 薄片电机的悬浮提供了理论保障。 南京航空航天大学硕士论文 3 i 引言 第三章无轴承永磁薄片电机中的关键技术 在上一章：无轴承永磁薄片电机的悬浮原理及其数学模型中，介绍了无轴 承永磁薄片电机的悬浮原理及相关的数学模型，并利用其数学模型导出了无轴 承永磁薄片电机的控制策略，解决了如何控制无轴承永磁薄片电机使转子实现 悬浮这一核心问题。 但解决这一问题还是远远不够的，无轴承永磁薄片电机是一个包含多项技 术的复杂系统。按系统功能来分，无轴承永磁薄片电机系统可以划分为以下几 个子系统：控制系统、功率系统、电机本体、传感器，如图3 1 所示。 图3 1 系统构成 传感器是整个系统的耳目，负责将电机的各项状况检测出来并传送给控制 系统，对它的要求是越快越好、越准越好；控制系统相当于脑的功能，负责将 传感器传来的信号处理好，并将输出信号传递给功率系统，对其要求是反应越 迅速越好、处理能力越强越好；至于功率系统就是整个系统的手足，负责执行 控制器传递过来的命令，对其要求是响应命令的速度越快越好、执行命令的准 确度越高越好；电机作为被控对象，当然是越容易控制越好，这就要求在电机 无轴承永磁薄片电机的研究 的设计过程中尽量减少控制系统忽略掉的因素的影响程度，同时电机的设计还 要考虑其性能要求。 本章将围绕这四个子系统依次展开，介绍各系统的设计原则、设计方法和 各种可供选择的方案。再下一章中将介绍设计的详细过程和各种方案的确定。 3 2 电机设计技术 电机设计本身就是一门学科，各种电机都有其自身的设计方法。从最早的 手工计算到后来的计算机优化设计，电机设计的方法推陈出新。现在常规电机 的计算机优化设计主要还是基于理论和经验公式的迭代计算，这种方法简单快 捷，对常规电机的设计效果良好”。但是随着电机工业自身的发展，不断有非 常规结构的电机出现，这些电机的设计不能使用原有的理论和经验模型进行迭 代计算，或者说采用原来的优化方法效果较差。无轴承永磁薄片电机就是这样 一种非常规电机，套用常规永磁电机的设计模型是行不通的。 幸运的是近年来，随着计算机的运行速度的不断提高，一种数值计算的方 法成为电机设计的有力工具这种方法就是有限元分析。有限元分析的基本思 想就是用有限个单元组成的模型来模拟一个连续的真实模型，通过对有限个单 元的计算得出近似真实情况的结果。但是有限元算法非常复杂，自行编制需要 对数值计算技术有深入的了解，这对电机设计人员来说，要求过于苛刻。因此 通用有限元分析软件应运而生，使用者只需输入所要计算的问题，便可获得结 果，并可对结果进行进一步的开发使用，而不需要了解求解的详细过程，更不 需要掌握有关的数值计算技巧和编制复杂的算法程序，极大地方便了使用者， 为设计人员节省了大量的时间和精力。具体到电机设计上，无论任何结构、任 何形式的电机，只要将其模型输入就可进行求解，通过处理得到磁密分布、磁 场分布、磁场强度分布、电磁力分布及转矩分布的彩色云图和单元列表，非常 直观明了并且计算精度较高。“。 目前市场上的通用有限元分析软件有很多种，常见的有a n s y s 、f e m l a b 、 a l g o r 、a b a q u s 、a n s o f t 等。其中a n s y s 、f e m l a b 具有电磁场分析模块， 而a n s o f l 则是一款电磁场分析专用软件。 a n s y s 是目前应用最为广泛、使用最方便的通用有限元分析软件之一，该 软件融结构、热、电磁、流体、声学于一体，能进行多物理场耦合计算，并具 南京航空航天大学硕士论文 有极为强大的前、后处理功能，它能与多数c a d 软件兼容，实现数据的共享和 交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，a l o g o r , i d e a s ，a u t o c a d 等。其提供的脚 本语言a p d l 提供了强大的二次开发能力“。 f e m l a b 也是一款多物理场的有限元分析软件，这款软件的特点在于非常 友好的用户界面、任意物理场的耦合分析、与m a t l a b 的高度集成。 a n s o f t 则是一款电磁场分析的专用有限元分析软件，这款软件的用户界 面也非常友好，并且对于电磁场分析做了特殊的优化。 不过采用哪款软件，使用有限元分析的方法设计电机基本上遵循以下的设 计流程，如图所示。 图3 2 电机设计流程图 第一步，确定设计目标，如电机的额定转速、额定转矩、额定功率、额定 电压、电机空间尺寸限制等等；第二步，根据设计要求、经验、理论公式确定 关键尺寸( 如：电机长度、转子半径、气隙宽度等) 、基本结构( 转子结构、 定子结构) 以及材料( 铁磁材料、永磁材料等) ：第三步，对初步确定的结构 作有限元分析，对主要设计指标做初步检验，不通过则返回第二步，通过则进 入下一步：第四步，通过初步检测后再确定各细节尺寸；第五步，用有限元分 析对设计指标作全面的检测，判断是否满足设计要求，不满足的话返回第四步， 通过第四步的调整仍然不能满足设计要求则要返回第二步进一步修改电机的关 键尺寸，甚至对电机结构作调整，如果通过最后的性能检测则设计完成。当然 最后还可以对电机作全面的优化设计。这套方法与传统的电机设计方法相似， 只是检测电机性能的工具由经验公式变成了有限元分析，显然这种方法的通用 性好于以前的方法，并且可以随着计算机性能不断提高而不断的提高精度。“。 这种方法较传统方法的最大不同点就在于有限元分析贯穿于电机设计的全过 程。但是考虑到现有计算机的性能，如果每个步骤都用有限元分析来检验得 无轴承永磁薄片电机的研究 话，计算周期将会非常长，尤其是在用3 d 有限元分析的时候，所以经常采用 的方法是迭代计算和有限元分析相结合、2 d 和3 d 分析相结合的方法。 有限元分析一般遵循以下几个步骤： 1 建立几何模型：通过建模工具创立一维、二维和三维几何实体模型，在 有些软件中还可以导入用其他c a d 软件建立的模型。 2 定义物理参数：例如电磁场中的磁导率、介电常数、永磁的矫顽力等。 参数可以是各向同性、各向异性的，也可以是模型变量、空间坐标或者时间的 函数。 3 划分有限元网格：大多数的有限元分析软件提供了自动网格划分器，网 格划分器可以划分三角形、四面体等多种网格单元。自适应网格划分可以自动 提高网格质量。另外，也可以人工参与网格的生成从而达到更精确的结果。在 很多资料中将这一步和前两步一起划分为前处理。 4 求解：各软件的求解器的算法各不相同，这部分的工作大部分时间是等 待，前提是选择正确的求解器，大部分情况软件会自动选择。 5 后处理：有限元分析软件求解后得到的往往并不是用户所需要的量，比 如电磁场分析中，求解后得到的是各点的标量磁势，要想得到各点的磁感应强 度还需要对标量磁势进一步计算得出，而要想得到磁力线分布图这类可视化图 形，也需要进一步对数据进行处理，这个处理过程就称为后处理。大部分有限 元分析软件提供了可视化的后处理能力o ”。 总之电机的设计是一项复杂的工作，前述的基于有限元分析的电机设计方 法也有不足的地方( 如设计周期仍然较长，人工参与仍然过多，对计算机的要 求较高等) ，实际使用中需要灵活处理，选择合适的方法。 3 3 传感器技术 作为整个系统的信号检测设备，传感器的优良至关重要。衡量传感器的主 要性能指标为频响特性、分辨率，分别描述传感器的反应速度、最小分辨能力。 无轴承永磁薄片电机的控制系统需要检测三种信号，分别为电流信号、转 子径向偏移信号、转子转角信号，这就意味着需要三种传感器：电流传感器、 位移传感器、转角传感器。 2 4 南京航空航天犬学硕士论文 3 3 1 电流传感器 最简单的电流传感器就是在被测电路中串接一个小电阻，通过测量电阻两 端的压差检测通过电阻的电流，但是这种方法会给被测电路引入额外的电阻， 同时这种方法是一种非隔离的方式，被测电路中的高压尖峰很可能串入测量电 路、控制电路，造成控制系统的永久性破坏。因此，现在常用的电流传感器都 采用隔离测量方式，并且主要采用磁隔离的方式。以下介绍一种最常见的电流 传感器。 图3 3 闭环霍尔电流传感器 上图为闭环霍尔电流传感器的原理图，被测电流i n 流过线圈，磁芯中产生 磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流i m 流过次级线圈产生的磁场补 偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流i m 即可精确反映原边电流 i n 值。经过副边线圈的补偿，磁芯中的磁场保持平衡，所以这种闭环传感器的 频晌特性较好，通常可达到10 0 k h z 。 另外，一种无磁芯电流传感器已经在市场上出现，这种传感器采用无磁芯 的汇流条导体代替传感器磁芯，降低封装厚度。电流流过汇流条并由几何网络 感知，然后测量出绝对磁场强度和磁场梯度。但是这种电流传感器的价格现在 仍然较贵。另外在测量小电流时常采用磁调制小电流传感器，或者采用增加原 边匝数的方法。 在实际使用中要根据使用场合的要求合理选择电流传感器，在价格和性能 之间找到最佳的平衡点。 3