（机械设计及理论专业论文）薄片式无轴承永磁电机的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文研究了一种新型的无轴承电机薄片式无轴承永磁电机，只须控制 转子的旋转以及两个径向自由度，其他三个自由度由于薄片结构是被动稳定的。 分析了这种薄片式无轴承永磁电机基本结构和工作原理，研究了电机内磁场 分布，讨论了保证旋转和悬浮独立控制的电机最小极对数，推导了转矩和转子 偏心情况下径向力的计算公式，理论研究表明这种结构的无轴承电机径向力和 转矩是相互解耦的。在此基础上设计了电机机械结构和绕组，包括电机转子永 磁贴片的形状分析、转矩绕组和悬浮绕组的具体绕制方法等。针对径向力的控 制要求研制了双向电流型线性功率放大器和p i d 控制器。设计、制造了外转子 式的无轴承永磁电机试验台，其中转子位移由涡流传感器检测。在无轴承永磁 电机试验台上进行了实验研究，结果表明：功率放大器基本无纹波，输出对输 入跟踪性能良好。转子径向位置单自由度稳定悬浮。 关键词：薄片式无轴承永磁电机：绕组；径向力；功率放大器 薄片式无轴承永磁电机的研究 a b s t r a c t an e wt y p eo fb e a r i n g l e s sd i s cp mm o t o ri sd e s i g n e d t h er o t o ri sa c t i v e l y c o n t r o l l e do n l yi nt w or a d i a ld i r e c t i o n sa n dr o t a t i o nw h i l et h eo t h e rt h r e em o t i o n sa r e p a s s i v e l ys t a b l eo w i n g t ot h es h o r t s p a ns t r u c t u r e f i r s t ，t h ep r i n c i p l ea n db a s i cs t r u c t u r eo ft h i sm o t o ri sa n a l y s e da n dt h ef l u x d i s t r i b u t i o ni nt h em o t o ri sd i s c u s s e d 。t h e n ，t h em i n i m u mp o l en u m b e ri sd e r i v e d w h i c hg u a r a n t e e st h ec o n t r o li n d e p e n d e n c eo fr o t a t i o na n dl e v i t a t i o n ，a l s o ，t h er a d i a l f o r c ei sd e r i v e dc o n s i d e r i n gt h er o t o rd i s p l a c e m e n t t h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w s t h ed e c o u p l eo fr o t a t i o na n dl e v i t a t i o n t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dt h ew i n d i n go f t h em o t o ri s d e s i g n e d t h e l i n e a r p o w e ra m p l i f i e r o fc u r r e n t t y p ea n dt h ep i d c o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rt h ec o n t r o lo fr a d i a lf o r c e f i n a l l y , t h eo u t e rr o t o rt y p ed i s c m o t o ri s d e s i g n e da n df a b r i c a t e di nw h i c ht h er o t o rd i s p l a c e m e n ti sd e t e c t e db yt h e e d d y c u r r e n ts e n s o r s e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h es t a b l el e v i t a t i o no fs i n g l e f r e e d o m k e yw o r d s ：b e a r i n g l e s sd i s cp mm o t o r , w i n d i n g ，r a d i a lf o r c e ，p o w e ra m p l i f i e r i i 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，均已在文中以明 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。 作者签名：础扎 日 期：。乏id 二，3 ：。? 土 薄片式无轴承永磁电机的研究 符号表 m 薄片式无轴承永磁电机极对数 p l普通无轴承异步电机转矩绕组极对数 p z 普通无轴承异步电机悬浮绕组极对数 i普通无轴承异步电机两套绕组中所通电流频率 b l 永磁贴片在气隙中产生的磁感应强度峰值 口 电机气隙中某点相对于所建坐标系的偏转角度 c a r转子旋转角速度 r 时间 玩 环状偏置永磁体在气隙中产生的磁感应强度峰值 b p 电机气隙中由两种永磁体共同产生的磁感应强度 b 。 转矩绕组在气隙中产生的磁感应强度 且 转矩绕组在气隙中产生的磁感应强度峰值 转子旋转相对于转矩绕组所生成旋转磁场的相位滞后角 e ( 口)x 方向悬浮绕组在气隙中产生的磁感应强度 b 。 x 方向悬浮绕组在气隙中产生的磁感应强度幅值 鼠( 臼)y 方向悬浮绕组在气隙中产生的磁感应强度 b p y 方向悬浮绕组在气隙中产生的磁感应强度幅值 e 。 悬浮绕组在气隙中产生的磁感应强度 悬浮绕组合成磁势与y 方向悬浮绕组磁势间的夹角 b 悬浮绕组在气隙中产生的磁感应强度幅值 b g 电机气隙中总的磁感应强度 r 电机气隙圆周半径 g 。0 转子位于正中心位置时与定子间的气隙厚度 l 。 电机转子轴向长度 d 口 定子与转子之间气隙某处的角度微元 矿 定子与转子之间气隙某处的体积微元 w 体积微元中的磁场能量 , u o 真空磁导率 d f 体积微元中径向力 c x 方向径向力 v 南京航空航天人学硕士学位论文 y 方向径向力 丁 作用在转子上的转矩 i 悬浮绕组跨一个齿的匝数 瓦 悬浮绕组跨三个齿的匝数 正 悬浮绕组跨五个齿的匝数 乙 一个自由度上的悬浮绕组总匝数 g 。( 儿p )转于1 旃心情况r 与疋于川阴气隙厚发 y转子在y 方向上的位移 足转子与定子之间的气隙对偏置永磁体磁通的磁阻 a 、 转于_ 刁疋于i 日j 嗣气t n , 回税 r 。转子与偏置磁轭之间的气隙对偏置永磁体磁通的磁阻 g 。o 转子位于f 中心位置时与偏置磁轭间的气隙厚度 爿， 转子与偏置磁轭之间的气隙面积 辱 偏置永磁体所经过磁路的总磁阻 毛 偏置永磁体工作时其内部磁感应强度 h 。偏置永磁体工作时其内部磁场强度 b ，偏置永磁体剩磁 ；r 回复磁导率 乙 偏置永磁体长度 h i偏置永磁体在定子与转子间的气隙内产生的磁场强度 h 。偏置永磁体在转子与偏置磁轭问的气隙内产生的磁场强度 九 偏置永磁体磁通总量 爿。 偏置永磁体截面积 或橱誊水舷1 萃仕芷于与辐于1 日j 明气l 泵内严生翰磁感压强度 彰 偏置永磁体在转子与偏置磁轭间气隙内产生的磁感应强度 d 九定子与转子之间0 角度气隙微元处的偏置永磁磁通 只( 曰)恫重水慨体仕疋于与转于z 侧i ：t0 角气隙微兀处磁感应强度 r ，1 定子与转子之间0 角度气隙微元对偏置永磁体磁通的磁阻 r r l z 绕组产生的磁通所经磁路的磁阻 4 口 定子上单个齿所对应的气隙面积 b r l正绕组在对应气隙中产生的磁感应强度 ， f vy 方向悬浮绕组中的电流 i x 薄片式无轴承永磁电机的研究 b l l疋绕组在对应气隙中产生的磁感应强度 研，五绕组在对应气隙中产生的磁感应强度 凡n 转子与偏置磁轭之间作用在转子上的y 方向的径向力 f 17转于与疋于z 1 日j 作用任牦于上明y 万同盯佐同刀 k y 位移刚度 k 电流刚度 z 传感器线圈阻抗 j 己 传感器线圈电感 q传感器线圈品质因素 k p 控制器比例环节增益 i 积分时间常数 瓦 微分时间常数 s 微分增益系数 k 。 功率放大器增益 世。 传感器增益 x 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无轴承电机的研究概述 当今，电机特别是高速电机和超高速电机不仅广泛地应用于诸如高速机床、 涡轮分子泵、离心机、压缩机、飞轮储能以及小型发电设备等工业领域，在生 命科学领域也开始得到应用。这充分显示了高速电机在国民经济发展和人民生 活质量提高方面具有重要的意义。 传统的高速电机定子与转子之间是通过机械轴承连接或存在机械接触，因 此在转子运动过程中存在机械摩擦。转子高速运行不仅带来摩擦阻力增加，使 轴承磨损加剧，导致电机气隙不均，而且会造成部件受损发热，产生机械振动 和噪声，严重的会使电机绕组发热，温升增大。这不仅降低了电机工作效率， 缩短电机和轴承的使用寿命，也增加了对电机和轴承维护的负担。 为了克服机械轴承性能的不足，高速电机一般采用气浮、液浮和磁浮轴承。 其中气浮和液浮轴承需要配备专门的气压、液压系统，这不仅使电机的结构复 杂、体积庞大、耗能多、效率低，同时气压、液压系统的故障会使气浮、液浮 轴承失效，从而导致电机无法正常运行，这同样降低了电机和系统的可靠性。 近几十年来发展起来的磁轴承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、 高精度、长寿命等一系列优良特性，因而从根本上改变了传统的支撑形式，在 能源交通、机械加工工业、航空航天以及机器人等高科技领域得到广泛的应用。 蝴径冉轴冉电啪径自 越轴承磁轴承磁轴承 i； ( a ) 磁悬浮电机( b ) 无轴承电机 图1 1 磁悬浮电机和无轴承电机结构示意图 传统磁悬浮电机结构如图1 1 ( a ) 所示，磁轴承实现转子的悬浮控制，电机 薄片式无轴承永磁电机的研究 产生转矩实现转子的旋转，转子完全的悬浮需要两个径向磁轴承和一个轴向磁 轴承控制来实现。由于磁悬浮电机具有突出的优点，国内外已对其做了全面而 深入的研究，并已在多个领域获得了成功应用。但在应用中依然存在如下问题： 输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率，电机径向和轴向长度 必须加大，而电机两端的磁轴承占有一定的轴向长度，使得电机轴向尺寸较大 从而降低了转子的临界转速，这导致电机功率的提高主要依赖径向尺寸的增加， 势必使磁轴承体积增大，磁悬浮电机的体积就会增大许多；磁力轴承占有一 定的轴向长度，使转子的刚度降低；磁轴承需要高性能的功率放大器和造价 不菲的传感器：考虑成本和体积的原因，影响了磁悬浮电机的使用范围。 磁轴承占有独立的轴向空间，使得磁悬浮电机的轴向利用率较低，而磁轴 承结构和交流电机定子结构具有一定的相似性，如果把磁轴承中的悬浮绕组叠 绕在电机定子绕组上，使两种磁场合成一体，且能同时独立控制电机转子的悬 浮和旋转是最为理想的，无轴承电机正是基于这一设想而提出。无轴承电机的 结构如图1 1 ( b ) 所示，电机中两套绕组的磁场相互作用产生了作用在电机转子 上的径向力，通过控制电机中的径向力可实现转子的悬浮。与传统的磁悬浮电 机相比，该电机具有同时产生旋转力矩和径向悬浮力的功能，因而磁悬浮电机 中的用于支承转子的径向磁轴承可以省去。为了实现电机转子在五个自由度上 的控制，一般需要两个电机和一个轴向轴承构成“。 无轴承电机和磁悬浮电机相比有如下优点： 悬浮绕组缠绕在定子上，轴向空间占用相对较小，电机的轴向长度可以 设计得较短，f 临界转速相对较高，可以进一步提高电机的转速，因此在需要高 速和超高速、小体积、长寿命的传动领域有其特别的优势。 由于无磨损、无润滑等特点，电机的转速也将从根本上摆脱机械轴承因 素的制约，而结构更为简单，维修更为方便，这也合乎未来高速电机强生命力、 低维修的发展要求。 电能消耗相对较少。对于无轴承交流电机而言，传统磁轴承中的直流励 磁电流不再需要，径向力控制系统的功耗只占电机功耗的2 一5 ”1 。 1 2 无轴承电机的起源及发展 在费拉里斯和特斯拉发明多相交流系统后，1 9 世纪8 0 年代中期，多沃罗沃 南京航空航天大学硕士学位论文 尔斯基发明了三相异步电机，异步电机无需电刷和换向器，但长期高速运行， 轴承维护保养仍是难题。 二次世界大战后，直流磁轴承技术的发展，使得电机和传动系统无接触运 行成为可能，但这种传动系统造价很高，因为铁磁性物体不可能在一个恒定磁 场中稳定悬浮。主动磁轴承的发明，解决了这个难题，但用主动磁轴承支承刚 性转子要在5 个自由度上施加控制力，磁轴承体积大、结构复杂和造价高。 2 0 世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需要用超高速离心分离方法生 产浓缩铀，磁轴承能满足高速电机支撑要求，于是在欧洲开始了研究各种磁轴 承计划。1 9 7 5 年，赫尔曼申请了无轴承电机专利，专利中提出了电机绕组极对 数和磁轴承绕组极对数的关系为士l 。用赫尔曼提出的方案，在那个年代是不可 能制造出无轴承电机的。 随着磁性材料磁性能进一步提高，为永磁同步电机奠定了有力竞争地位。 同时，随着双极晶体管的应用，以及和柏林格尔提出的无损开关电路结合，能 够制造出满足无轴承电机要求的新一代高性能功率放大器。大约在1 9 8 5 年，具 有快速和负载能力的功率开关器件和数字信号处理器的出现，使得已经提出2 0 多年的交流电机矢量控制技术才得以实际应用，这样解决了无轴承电机数字控 制的难题【4 “。 无轴承电机的概念最初是由r b o s c h 于8 0 年代末提出的“1 ，在瑞士的 j b i c h s e l 实现了同步电机的无轴承技术之后2 1 ，无轴承电机的研究引起了广泛 的重视。目前瑞士、日本、美国等国家都大力支持丌展这项研究工作。r 本的 a c h i b a 等人对异步电机的无轴承技术、永磁同步电机的无轴承技术、开关磁阻 电机的无轴承技术进行了研究9 5 。6 “，o s a m ul c h i k a w a 等人提出了一种单极类 型的无轴承电机1 1 。瑞士的r s c h s b 研究了异步电机的无轴承技术“1 和薄片状无 轴承电机。2 0 0 0 年，瑞士联邦工学院的s s 1 i b e r 研制出无轴承单相电机，再一 次在无轴承电机研究历史上前进了一步，降低了控制系统的费用，使得无轴承 电机实际应用不仅仅是可想的，而且是经济的“1 。目前瑞士联邦工学院( e t h ) 在 这一研究领域中保持领先，已有一些成果转化为商品。 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 轴承技术的经验，近年来，南京航空航天大学、上海交通大学、西安交通大学、 沈阳工业大学等也相继开展了对该种电机的研究”“，取得了一定的成果。 薄片式无轴承永磁电机的研究 1 3 无轴承电机的应用 无轴承电机由于其独特的优点，在一些需要免维修、长寿命运行，无菌、 无污染以及有毒有害液体或气体的传输等场合得到了典型的应用。 半导体工业中，在蚀刻、制板、清洗或抛光等加工过程中需用腐蚀性化学 液体，产品质量很大程度上取决于化学液体质量，液体输送泵是关键的一个环 节。像酸液、有机溶剂等腐蚀的化学液体，泵必须无污染可靠传输，并且泵要 具有抗腐蚀和一定耐温要求。传统气动和薄片泵寿命短，大多数耐温最高只有 1 0 0 左右，运动阀和薄片仍然会产生少量的微粒，液体传输也存在着不均匀的 脉动，影响了工艺处理质量。采用无轴承电机密封泵能解决传统传输中存在的 缺陷，大大满足精密半导体器件生产工艺要求。目前，功率为3 0 0 w 的无轴承电 机密封泵已经在半导体工业得到应用“1 。 化工领域放射性环境或高温辐射环境等恶劣条件下，用无轴承电机密封泵 进行废料处理，能解决机械轴承磨损和维修的难题。在化学工业，对有效密封 传输和生产系统的需求进一步提高，传统的转轴密封的密封泵，机械轴承需要 润滑，据报道8 0 的故障是由于密封失效引起的，2 0 是轴承、连接及其它故障。 为了安全生产，免遭环境污染，使用无轴承电机密封泵是最佳选择。目前，苏 黎世联邦工学院和s u l z e f 泵公司合作完成了功率为3 0 k w 的无轴承密封泵样机 的研制和测试工作，进入了试运行阶段 4 2 1 。 在美国、日本等国家，无轴承电机在生命科学、制药行业、化工行业、半 导体工业、食品工业等领域得到了应用。随着我国经济进一步发展，在很多特 殊的电气传动领域必将改变传统的传动和传输方式，对提高产品质量、降低成 本、减少污染将会起到重要作用。因此，在我国无轴承电机具有很大潜在应用 市场，积极开展无轴承电机的研究和应用具有现实和深远意义。 1 4 薄片式无轴承永磁电机的研究现状和意义 在无轴承电机的研究中，薄片式无轴承电机结构简单而特殊，在很多领域 有着广泛的应用前景，一直以来受到众多专家学者的关注。瑞士的r s c h s b 提 出了如图1 2 所示结构的薄片无轴承电机1 5 1 ，并己将其用于培养细胞的气泡反 应堆。日本的s a t o s h iu n e o 等人采用如图1 3 所示的实验装置进行了薄片式无 轴承电机的实验f m 。瑞士的l e v i t r o n i x 公司更是成绩显著，已经将许多研究成 南京航空航天大学硕士学位论文 果转化为相关产品，如图1 4 和图1 5 所示。 图1 2 瑞士学者提出的薄片式无轴承电机 图1 3 日本学者提出的薄片式无轴承电机 图1 4 高速离心泵 图1 5 可移植心脏泵 图1 6 人j d o , 脏泵图1 7 安装在人体内的人r 心脏泵 生命科学是薄片式无轴承电机的一个典型而重要的应用场合。心脏病是当 今世界上危害人类生命的第一杀手，据统计，我国现有各类心脏病患者约3 亿7 千万人，每年还要新增病人约3 0 0 万人，且发病的年龄也呈现出年轻化。在美 薄片式无轴承永磁电机的研究 国，每年有7 0 万人死于心脏病，有3 0 0 万人被c h f ( c o n g e s t i v eh e a f tf a i l u f e 充血性心力衰竭，心脏不能够将充足的血液输送到全身各个器官) ) 所困扰，每年 更是有4 0 万人被诊新患c h f ，c h f 患者五年以上存活率不到5 0 【1 8 l 。人工心脏 泵( 主要由电机和离心泵组成，可用它来部分或者全部替代心脏病患者的心脏 功能) 的研制和应用为这这些患者带来了福音。如果用普通电机作运动执行部 件，其运行时的机械摩擦和发热会导致血细胞受损，引起溶血、凝血和血栓， 甚至危及病人生命【i 9 1 。而薄片状无轴承电机由于其独特的结构、体积小、无机 械接触等优势，用于人工心脏泵可谓得天独厚，如图1 6 和图1 7 所示【2 0 i 。 1 5 论文主要工作与内容安排 1 5 1 论文的主要工作 磁悬浮研究所在磁悬浮轴承的研究方面理论功底深厚，研究成果累累，学 术底蕴优良，为我们开展薄片式无轴承永磁电机的研究提供了良好的软硬件条 件。考虑到对于该项技术的研究剐刚起步，国内在这方面也是凤毛麟角。针对 实现薄片式无轴承永磁电机工作的复杂控制要求，我们在进行研究之初，就制 定了由简到难、循序渐进、稳扎稳打、不断积累实践经验的指导方针。在充分 进行理论分析论证的基础之上，有步骤、有根据地进行系统仿真、完成实验台 的组建、系统的调试。这些实验的成功为今后薄片式无轴承永磁电机的进一步 改进优化作了有益的尝试，打下了良好的基础。 本文的研究工作主要包括以下几部分内容： i ，分析了薄片式无轴承永磁电机基本工作原理，论证了当电机极对数m 3 时 径向力和转矩之间是可以分别独立控制的。 2 ，电机内部具体参数的计算，包括偏置永磁体工作点、悬浮绕组在气隙中产生 的磁感应强度、电机转子径向力的位移冈0 度和电流刚度。 3 薄片式无轴承永磁电机机械结构的设计和加工，包括定子、转子、永磁贴片、 偏置永磁体、偏置磁轭，转子保护环等，在此基础上完成悬浮绕组和转矩绕组 的绕制以及电机各个部分的组装。 4 ，设计制作了线性功率放大器。所设计的功放性能良好，能保证薄片式无轴承 永磁电机的转子稳定悬浮。 5 建立电机转子悬浮控制部分的数学模型，给出闭环控制系统，并对其进行 南京航空航天大学硕士学何论文 m a t l a b 仿真，理论上证明了闭环控制系统的稳定性。 6 完成电涡流传感器线圈的绕制，电涡流传感器的标定，制作了模拟p i d 控制 器电路扳。 7 设计制作了薄片式无轴承永磁电机电控系统的控制箱。 8 实验部分，包括功率放大器在模拟电阻负载、电感负载以及正弦激励输入下 的性能调试、电涡流传感器的标定、整个电机系统的联合调试。 1 5 2 论文内容安排 第一章，介绍了无轴承电机的来源和意义、在国内外的发展概况、薄片式 无轴承永磁电机的研究现状和意义。最后提出了论文主要工作和内容安排。 第二章，在介绍无轴承异步电机的基础上，分析了薄片式无轴承永磁电机 的工作原理，论证了当电机极对数m 3 时，径向力和转矩之间是可以分别独立 控制的。 第三章，分析了薄片式无轴承永磁电机的系统结构，并对转子永磁贴片的 外形设计进行了分析。重点阐述了转矩绕组和悬浮绕组的设计，并给出了磁场 仿真。详细推导了转子偏心情况下偏置永磁体和悬浮绕组在气隙中产生的磁感 应强度计算，并由此导出了径向力。 第四章，介绍了用于薄片式无轴承永磁电机电控系统的电涡流传感器、p i d 控制器，分析了本文研制的电流型线性功率放大器。 第五章，仿真与实验部分，首先对薄片式无轴承永磁电机的转子位置闭环 控制系统模型进行了m a t l a b 仿真，接下来讨论了作者研制的电流型线性功率 放大器的性能测试。重点给出了薄片式无轴承永磁电机的系统调试实验，并对 实验结果作了分析。 第六章，总结与展望部分，总结论文所做工作及取得的成果，提出有待解 决的问题。 薄片式无轴承永磁电机的研究 第二章薄片式无轴承永磁电机工作原理和理论分析 针对当前无轴承电机旋转力矩和径向力控制解藕的复杂性川啦6 1 ，本文研究 了一种利用直流电和交流电共同生成的磁场相互作用来产生径向力和转矩的薄 片式无轴承永磁电机，分析了其基本工作原理，论证了径向力和转矩的控制之间 相互独立，控制方法相对简单。 2 1 旋转电机中的洛伦兹力和麦克斯韦力 在普通旋转电机中有两种不同的电磁力：洛伦兹力和麦克斯韦力。 洛仑兹力是电机旋转磁场对转子中载流导体作用而产生的力，作用在转子 上产生切向的力，异步电机的旋转力矩就是基于它产生的。 毋 ( a )( b ) 图2l 两极电机中的麦克斯韦力 磁路中在不同的磁导率( 如空气和铁心) 的磁性物质边界上形成的磁张力 称之为麦克斯韦力。该力作用方向垂直于电机转子表面，如果电机中的磁通分 布是对称的，其麦克斯韦合力为零，如图2 1 ( a ) 所示。如果转子偏离了电机定 子的中心，引起电机磁通分布的不均，则麦克斯韦合力就不为零，其作用方向 和转子偏心方向一致，如图2 1 ( b ) 。转子的偏离量越大，麦克斯韦力也越大。 2 2 无轴承异步电动机基本工作原理 无轴承异步电动机是将普通异步电机定子槽中套a 对极的绕组置换成不 同匝数的a 对极和p ：对极的两套绕组而制成的。其中，p ，对极饶组用以产生旋 转磁场和转矩，使转子旋转，与异步电动机定子绕组作用相似，称转矩绕组；岛 对极绕组中通以电流后，该绕组产生的磁场与转矩绕组产生的磁场通过气隙相 互作用产生可控的径向力，实现转子悬浮，称为悬浮绕组。无轴承异步电动机 南京航空航天大学硕士学位论文 转矩绕组通电后，通过转子在气隙中产生一旋转磁场，当悬浮绕组通电后，其 电流产生的旋转磁场打破了转矩绕组产生的气隙磁场平衡，使得合成的气隙磁 场在一区域增强，而在对称的区域减弱。两个磁场相互作用产生了可控的径向 力，其方向由这两个绕组磁链矢量的相位决定，指向磁场增强的一方，大小与 转矩绕组和悬浮绕组的气隙磁链相关。当两套绕组满足如下关系时，电机中才 能产生可控的径向力【2 。 极对数：p ，= p l ： 两个绕组生成的磁场旋转方向一致； 两个绕组中流通的电流频率f 一致。 图2 2 说明了电机中转矩绕组( p ，= 1 ) 与悬浮绕组( p 2 = 2 ) 产生的旋转磁场相 互作用产生径向力的过程。图2 2 ( a ) 中不均匀的气隙磁场分布使l 处磁感应强 度增强，3 处磁感应强度减弱，从而产生的径向力合力指向x 轴正方向；图2 2 ( b ) 中不均匀的气隙磁场分布使1 、2 处磁感应强度增强，3 、4 处磁感应强度减弱， 产生的径向力合力指向y 轴正方向。电机中的径向力除了上述可控麦克斯韦力 外，还包括转予偏心产生的固有麦克斯韦力。通过检测转子径向位移偏离量， 来调节悬浮绕组电流，改变可控径向力的大小，实现转子的径向悬浮。 3 2 4 ( a ) 水平方向的径向力 ( b ) 乖直方向的径向力 图2 , 2 径向力的产生过程 无轴承异步电动机的旋转力矩和径向力之间存在着基于电机气隙磁场的控 制耦合。如何实现解耦控制，从而使电机调速控制运行时实现转子的稳定悬浮 是无轴承异步电动机控制的目标所在，这一过程的实现相对复杂。鉴于此，本 薄片式无轴承永磁电机的研究 文提出了一种结构和绕组使得无轴承电机的控制相对简单。 2 3 薄片式无轴承永磁电机基本工作原理 采用永久磁铁励磁的电机称为永磁电机。永磁电机由于没有励磁绕组和励 磁装置，不消耗励磁功率，对磁极设在转子的电机还可省去滑环和电刷。所以， 与电励磁电机相比，永磁电机具有损耗小、效率高、结构简单、可靠性高等突 出优点，使其获得了广泛的应用【2 踟。本文所研制的无轴承电机采用的就是永磁 转子结构。 径向力控制磁通 图2 3 薄片式无轴承永磁电机原理图 y x 图2 4 薄片式无轴承永磁电机转子被动稳定示意图 图2 3 是薄片式无轴承永磁电机的原理图，采用外转子形式。定子上叠绕着 转矩绕组和悬浮绕组( 图中未具体画出，详细绕法见3 3 分析) 。永磁贴片贴在转子 内侧圆弧面，提供m 对极磁场，而转矩绕组中通以适当大小的交流电后也产生 m 对极的旋转磁场，与普通的永磁电机类似，两者之间相互作用产生电磁转矩。 环状偏置永磁体提供偏置磁通，如图2 3 中带箭头实线所示。当转予在外界扰动 作用下往左边偏移时，我们只须给悬浮绕组通以某个方向适当大小的电流，使 南京航空兢天大学硕士学位论文 其产生如图2 3 中带箭头虚线所示方向的径向力控制磁通，这样我们明显可以看 出左半部分气隙磁通增加，而右半部分气隙磁通减小，由于定子固定，于是就 有一个方向向右的径向力作用在转子上，该力提供作为转子返回平衡位置的动 力。同样，当转子在外界扰动作用下往右边偏移时，我们只须给悬浮绕组通以 另外一个方向适当大小的电流，使其产生与如图2 3 中虚线箭头所示方向相反的 径向力控制磁通，于是右半部分气隙磁通增加，而左半部分气隙磁通减小，于 是就有一个方向向左的径向力作用在转子上使其返回平衡位置。不断地根据转 子的偏移方向和偏移程度来调整悬浮绕组中电流方向和大小就能达到改变径向 力以控制转予径向位置的目的。 除了两个径向自由度、一个绕转轴旋转自由度外，薄片式无轴承永磁电机 在其他三个自由度上是不需要控制的。下面以外转子薄片式无轴承永磁电机为 例来说明，如图2 4 所示为其转子被动稳定原理示意图。当电机的直径与轴向长 度之比满足一定的标准时，转子一旦有沿z 轴方向的偏移和绕x 轴或者y 轴的倾 斜，根据电磁学基本理论，都会受到一个与其偏移或倾斜方向相反的电磁吸力 的作用 2 ，使其有往平衡位置返回的趋势，所以转子在沿z 方向、绕x 轴转动、 绕y 轴转动这个三个自由度上是被动稳定的。 2 4 薄片式无轴承永磁电机基本理论分析 幽2 5 薄片式无轴承永磁电机外转子示意图图2 6 薄片式无轴承永磁电机定子示意图 如图2 5 所示为外转子式薄片无轴承永磁电机转子示意图，图2 6 为外转 子式薄片无轴承永磁电机定子示意图，定子齿槽上叠绕着悬浮绕组和电机转矩 绕组( 具体绕法详见3 3 分析) 。转子内侧圆弧四个阴影部分为永磁贴片。图2 7 为定子转子配合示意图。 薄片式无轴承永磁电机的研究 体 转千 图2 7 定子转子配合示意图图2 8 环状偏置永磁体磁通走势图 将图2 5 沿x 轴剖开，然后摊平。刚永磁贴片在气隙中产生的磁感应强度 分布近似如图2 9 所示( 详见3 2 2 分析) 图2 9 永磁贴片在气隙中产生的磁感应强度分布图 其中层为永磁贴片在气隙中产生的磁感应强度峰值，口为气隙中某点相对 于图2 5 所示坐标系所偏转的角度c o t 表示转子旋转过的角度( ( - 0 为转子角速 度，t 表示时间) 结合图2 8 ，环状偏置永磁体在气隙中产生的磁感应强度分布如图2 1 0 所示 图2 1 0 环状偏置永磁体在气隙中产生的磁感应强度分布图 其中届为环状偏置永磁体在气隙中产生的磁感应强度峰值。 因此，两种永磁体在气隙中共同产生的磁感应强度分布如图2 1 1 所示 南京航空航天大学硕士学位论文 o 图2 1i 永磁贴片和偏置永磁体在气隙中的磁感应强度分布图 我们用b 。表示气隙中由两种永磁体共同产生的磁感应强度，用m 表示电机 极对数。为简化分析，我们将图2 n 所示波形进行傅立叶变换，并取其基波分 量，则曰可以表示为 b 。= b o + b t c o s m ( o c o t )( 2 1 ) 对于电机中转矩绕组在气隙中产生的磁感应强度，同样为了简化分析，我 们对其进行傅立叶变换，取其基波分量，其波形如图2 1 2 所示。 趣。 0 图2 1 2 转矩绕组在气隙中产生的磁感应强度分布图 可以表示为 & m = b 2 c o s m ( o c o t 一) ( 2 2 ) 其中e 为转矩绕组在气隙中产生的磁感应强度基波峰值，为转子旋转相 对于转矩绕组所产生的旋转磁场的相位滞后角。 对于该种薄片式无轴承电机的悬浮绕组，我们针对x 和y 方向两个径向自 由度采用了一种独特的线圈绕法( 具体的绕法详见3 3 分析) ，该绕法的优点有 二：其一，绕线结构简单：其二，该绕组中通以电流即在气隙中产生近似正弦 波分布的磁场。基于图2 j 所示的坐标系，x 方向和y 方向的悬浮控制绕组通以 一定的电流后即产生如图2 1 3 和图2 1 4 所示的正弦波磁场。 薄片式无轴承永磁电机的研究 b 一 e 、石2万一死- n - 2 l 一一一一一生一。 一 图2 1 3x 方向悬浮绕组在气隙中产生的磁感应强度分布圈 j b f 一丌2二7 1 i 卜万 3 栊一 l 。一 - 2 时，转矩的控制独立于径向力的控制， 茸日右 丁= 一 r l , g 。o m b i b 2 z s 。i n m w ( 2 1 7 ) 由式2 1 4 可以看出，疗、胁为常数，而当电机结构和偏置永磁体确定时， b o 、t 、，也为常数，考虑到b x 是x 方向的悬浮绕组通以一定的电流后在气隙 中产生的磁感应强度幅值，因此径向力 仅由x 方向的悬浮绕组决定。同样， 径向力毋仅由y 方向的悬浮绕组决定。 由式2 1 7 可以看出，万、心为常数，而当电机结构和转子上的永磁贴片确 南京航空航天大学硕士学位论文 定时， r 、f ：、g m 、且也为常数，考虑到马是转矩绕组中通以一定的电 流后在气隙中产生的磁感应强度基波峰值，f 为转子旋转相对于转矩绕组所产 生旋转磁场的相位滞后，因此转矩，仅由转矩绕组和相位滞后t , - 决定。 故而有，当m 3 时，径向力r 、丹和转矩r 之间是可以分别独立控制的。 这一点为我们对于该种薄片式无轴承电机控制系统的设计提供了依据。 2 5 本章小结 本章介绍了无轴承异步电动机的基本工作原理，阐述了本文研制的薄片式 无轴承永磁电机的工作原理，分析了其基本理论，得出如下结论： 1 1 对于薄片式无轴承永磁电机，只须控制转子的两个径向自由度及其旋转， 在其它自由度上是被动稳定的。 2 、为了实现转子的悬浮和旋转，必须外加可控的径向力和转矩。 3 1 当电机极对数m 3 时，径向力和转矩之问是可以分别独立控制的。这为 后续的设计和研制提供了理论依据。 薄片式无轴承永磁电机的研究 第三章薄片式无轴承永磁电机系统结构设计和参数计算 薄片式无轴承永磁电机是典型的机电一体化产品，它的研制涉及到很多方 面，包括电控系统( 传感器、控制器、功放) 和电机机械部分。电机机械部分 结构的设计、绕组的绕制、参数的计算是实现控制的基础。本章简要介绍了薄 片式无轴承永磁电机系统的结构设计，论述了绕组的具体绕制，详细推导了转 子偏心情况下径向力的计算。 3 1 系统结构介绍 根据第二章所介绍的薄片式无轴承永磁电机基本原理和理论分析，本文设 计的无轴承电机机械系统由定子组件、转子组件、传感器组件和一些辅助部件 组成。图3 1 是其效果图，图3 2 是电机实物图。下面我们分别对定子组件、转 子组件和传感器组件结构进行简要介绍。 图3 1 薄片式无轴承永磁电机效果图图3 2 薄片式无轴承永磁电机实物图 3 1 1 定子组件结构 与普通电机相比，薄片式无轴承永磁电机定子铁心除轴向尺寸很小外，其 他方面与普通电机定子铁心相同，为了克服定子磁路中的涡流损耗和磁滞损耗， 本文研制的薄片式无轴承永磁电机定子铁心由硅钢片冲叠而成。 薄片式无轴承永磁电机定子中绕有两套绕组：转矩绕组和悬浮绕组，外转 子薄片式无轴承永磁电机转矩绕组采用三相八极绕组，悬浮绕组为两极绕组。 两套悬浮绕组在空间上互相垂直，它们分别控制两个径向磁悬浮力的大小，如 图3 3 所示。 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 3 绕组关系示意图 3 1 2 转予组件结构 无轴承永磁电机的转子结构总的来说可以分为内插式和表面式，表面式又 有表贴式和表嵌式两种，分别如图3 4 ( a ) 、图3 4 ( b ) 和图3 4 ( c ) 所示。 o o 奄翟多融l ( a ) 表贴式转子( b ) 表嵌式转子 ( c ) 内插式转子 图3 4 永磁转子结构 表面式转子结构的制造工艺简单、成本低，应用较为广泛。内插式转子结 构比较复杂，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁电机。本文研 制的薄片式无轴承永磁电机采用如图3 4 ( a ) 所示的表贴式转子结构，原因有二： ( 1 ) 所采用的钕铁硼永磁材料相对回复磁导率接近l ，故转子电磁性能上属于 隐极转子结构，避免了凸极效应；( 2 ) 加工装配工艺简单。 3 1 3 传感器组件结构 传感器是薄片式无轴承永磁电机系统的核心部件之一，它的性能对系统的 控制起决定作用。只要是非接触式的位移传感器一般都可以用于薄片式无轴承 永磁电机系统，如光传感器( o p t i c a ls e n s o r ) 、涡流传感器( e d d y c u r r e n ts e n s o r ) 、 电感传感器( i n d u c t i v es e n s o r ) 和霍尔传感器( h a l l e f f e c ts e n s o r ) 。目前得到广 泛应用的是涡流传感器和电感传感器。选用传感器时应考虑以下几方面性能【3 1 】： 1 测量范围( m e a s u r i n gr a n g e ) 传感器的输出电压信号蜥是位移x 的函数， 所谓传感器的测量范围指的是传感器的输出信号能够线性地跟随位移变 薄片式无轴承永磁电机的研究 化的范围。对薄片式无轴承永磁电机系统用的传感器来说，希望测量范围 为0 0 5 1 o m m 。测量范围太大，传感器的灵敏度就会降低，对位移测量 不利。 2 灵敏度( s e n s i t i v i t y ) 单位位移时传感器的输出称为灵敏度，常用m v m 表示。灵敏度高，表明传感器的噪声小。但是，灵敏度太大，测量范围 变小。 3 分辨率( r e s o l u t i o n ) 传感器能够分辨出的最小位移称为分辨率，希望传 感器的分辨率为0 1 _ 小甚至更小。 4 频带宽度( f f e q u n c yr a n g e ) 传感器的频带宽度越宽，其动态性能越好。 如果电机的工作转速小于( 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 ) r m i n ，频带宽度有5 k h z 就可 以满足要求；如果转速大于5 0 0 0 0 r r a i n ，频带宽度最好有1 0 k h z 。 5 其他方面的性能如稳定性要好，温漂、零漂和时漂要小，能够在够宽的 温度范围内稳定地工作。 除了对传感器有较高的要求外，还应保证被测转子表面有良好的加工质量。 否则会产生测量噪声，并对无轴承电机系统施加一个周期性的扰动，严重影响 转子的运转精度。此外，为了进一步提高测量精度，可在一个方向上布置两个 传感器，接成差动结构。 电涡流传感器是利用电涡流传感器线圈产生交变电磁场，使被测导体表面 产生电涡流，从而改变线圈电参数，通过检测电路检测到线圈电参数的变化并 将这一变化转换为电压信号。电涡流传感器具有无接触检测、无磨损、线性范 围大、灵敏度高等特点。本文作者所在的磁悬浮研究所自行研制的电涡流传感 器已成功用于转速达几万转的磁悬浮轴承系统，因此我们选其为无轴承永磁电 机所用传感器。 3 2 永磁体材料的选择和外形的确定 3 2 1 永磁材料的选择 永磁电机的发展，首先取决于永磁材料的发展。所谓永磁材料，是指材料 被外磁场磁化后，去掉外磁场后也仍然保持着较强剩磁的磁性材料。它是人类 最早发现和最早应用的磁性材料。由于永磁材料的用途广，种类多，人们利用 它没有铜损，而且在一定空间能建立磁场的特点，制造各种产生线性力和转动 南京航空航天大学硕士学位论文 力矩的元件和设备。 在本世纪三十年代初发明的磁性能较高的铁镍钴( f e n i c o ) 和铝镍钴 ( a l n i c o ) 永磁合金，将它们应用到电机中，使永磁电机逐渐得到应用和推广。 五十年代开始，在永磁电机中矫顽力高、价格便宜的铁氧体永磁材料得到了应 用，使永磁电机的生产和应用获得了迅速的发展。六十年代术高性能的稀土钴 永磁材料的出现和八十年代更高性能的钕铁硼( n d f e b ) 永磁合金的开发成功， 使永磁电机的发展进入了一个划时代的新的发展时期。 和其他永磁材料相比，钕铁硼永磁材料具有下列特点【3 2 ：( 1 ) 它的磁性能 高。它的( 口肋用相当与铁氧体永磁体的5 1 2 倍，铸造a l n i c o 永磁体的3 1 0 倍。它的矫顽力相当于铁氧体永磁体的5 l o 倍，铸造a i - n i - c o 系永磁体的5 1 5 倍。它的潜在磁能积很高，其磁能积的理论值达5 2 5 4 j m 3 。它能吸起相当于自 身重量6 4 0 倍的重物。而铁氧体仅仅能吸起自身重量1 2 0 倍的重物。n d f e b 系 永磁体的应用有利于仪器仪表和设备的小型化、轻量化和薄型化。( 2 ) n d f e b 系永磁材料以f e 为基体，加入元素n d 移b ，不含战略元素c o 和n i ，而我国耩 土元素n d 和b 储量很丰富。( 3 ) 它的机械力学性能比a i n i c o 等合金好，可以 进行切削和钻孔。总之，n d f e b 系永磁体是一种性能优异的永磁体。它有着广 阔的应用和发展前景。有人预言，n d f e b 系永磁材料的推广应用，将引发仪器 仪表、磁化技术和电机工业的革命。 鉴于以上原因，本文提出的薄片式无轴承永磁电机中的永磁体采用n d f e b 材料。 3 2 2 转子永磁贴片外形设计分析 本文研制的无轴承永磁电机转子采用表贴式转子结构，为了消除永磁励磁 磁场高次谐波整个气隙磁密的影响，我们对转子永磁贴片的外形进行了改进。 传统的永磁贴片其正视图是矩形形状，均匀地贴在转子表面，如图3 7 所 示，这样在电机气隙处产生的是矩形波的磁密，其高次谐波分量较大。我们在 设计时，采用正视图为菱瓦形的永磁贴片，见图3 5 ( 永磁贴片正视图) 和图3 6 ( 转 子的正视图) 。下面我们对菱瓦形永磁贴片在气隙中产生的磁感应强度进行分析。 2 薄片式无轴承永磁电机的研究 图3 5 永磁贴片形状示意图图3 6 永磁转子正视图 i i i 门门门1 uuuu 2 图3 7 矩形永磁贴片在气除中的磁密分布囤3 s 菱形永磁贴片在气隙中的磁密分布 结合图3 6 ，由于永磁贴片两头呈三角形状，从其上发出的磁力线在通过定 子之后可以近似认为又返回到位于其两旁的定子内表面上，故菱瓦形永磁贴片 在气隙中产生的磁感应强度分布如图3 8 所示，其中b 1 是由所选永磁材料和气 隙决定，口为气隙圆周的空i 讨角度。对图3 8 中的波形进行傅立叶变换 a n = 姜f m ) c o s 4 n a d a 脚，l ，2 3 ” ( 3 1 ) 所以： 口l = 1 1 7 8 1 a 3 = - 4 ) 1 7 属 吒= o 0 2 b i l 这样： f ( a ) = 1 1 7 b lc o s 口一0 1 7 b ic o s 3 a + 0 0 2 县c o s 5 a 南京航空航天大学硕士学位论文 可以看出基波分量占主要成分其他高次谐波分量比重很小，所以如第二 章中所述，我们在分析永磁贴片在气隙中产生的磁感应强度时可近似用基波分 量来代替。 3 3