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。

4 電機結構

本文無軸承永磁薄片電機采用六齒三相1 對極結構。定子外圈向下折，成立體形狀，如圖5(a)所示。此外，六個齒上加上了齒靴，減少了轉子磁場的漏磁，提高永磁體的利用率。同時電機的磁路通過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矩繞組。轉矩繞組采用1 對極結構，有助于降低電角頻率，適于高速運行?；魻柦嵌葌鞲衅骱碗姕u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，可降低電機設計的復雜度，而且便于負載(如泵殼)的安裝，同時，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 對極無軸承永磁薄片電機的樣機如圖6 所示。電機定子外徑116 mm，鐵心長度80 mm，采用的材料是普通0.25 mm 硅鋼片，線性相對磁導率約為3 000。每套轉矩繞組線圈有282 匝，每套懸浮繞組線圈有102 匝。轉子外徑53.2 mm，內徑14.4 mm，軸向長度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，定轉子間氣隙3 mm。

5 控制系統(tǒng)和功率系統(tǒng)

無軸承永磁薄片電機的控制系統(tǒng)由調制電路和以數字信號處理器(DSP)TMS320F2812 為核心的控制器組成，實物如圖7 所示。TMS320F2812DSP芯片功能強大，運行速度快，具有豐富的片內外圍設備。150 MHz 的時鐘頻率保證了高轉速下控制策略的運算;利用IQmath 實現以C 語言為主體，局部調用匯編指令的方式編寫的控制系統(tǒng)程序，可實現坐標轉換和PID調節(jié)器的模塊化調用，從而簡化了程序存儲空間，提高了軟件質量;且芯片集成16 路的12 位模-數轉換器，為無軸承永磁薄片電機所需的電流傳感器、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)是整個無軸承永磁薄片電機系統(tǒng)中的執(zhí)行機構，負責完成控制器發(fā)出的指令。采用兩套三相電流控制型PWM 逆變器(CRPWM)，可以方便地控制轉矩繞組和懸浮繞組的三相電流。開關頻率為16 kHz。

6 電機性能試驗

考慮到無軸承永磁薄片電機的轉子沒有軸承支撐，試驗研究時，首先要實現電機的穩(wěn)定懸浮。

圖8(a)為靜止懸浮時轉子在x方向和y 方向的位移波形?？梢钥闯?，當電機靜止懸浮的時候，轉子x、y 方向的位移波動范圍約20 滋m，實現了穩(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，只需極小幅值的懸浮電流即可實現電機的穩(wěn)定懸浮。

啟動轉矩控制系統(tǒng)，給定250 Hz 的轉速，經過轉速閉環(huán)和轉矩繞組電流閉環(huán)，實現Itd=0 的轉子磁場定向控制，經過2 s的加速過程，轉速超過15 000 r/min，見圖9。轉子y 方向的偏移波形顯示，在啟動階段，轉子的徑向偏移嚴重，幅值達到160 滋m，但仍處于懸浮狀態(tài)。經過短暫調整，轉子徑向偏移趨于穩(wěn)定，實現了電機高速懸浮運行。

圖10(a)為電機轉速穩(wěn)定在15 000 r/min 時的轉子位移波形，轉子繞徑向平衡位置上下移動，偏移的幅值已在80 滋m左右。相較于電機靜止時的穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，此時為克服轉子高速旋轉時徑向的不穩(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，滿足懸浮磁場的定向控制要求。圖10(c)為電機平穩(wěn)運行時a 相轉矩繞組的給定電流Ita 和反饋電流Ita* 波形，通過轉矩電流PI 環(huán)節(jié)的閉環(huán)作用，轉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 結語

本文推導了1對極無軸承永磁薄片電機的徑向懸浮力數學模型，并對數學模型進行了適當的簡化，降低了數字控制的復雜性;分析了原理樣機的結構特點，搭建了控制系統(tǒng)和功率系統(tǒng);最后對樣機進行了高速運行試驗，轉速在15 000 r/min時，轉子徑向移幅約80 滋m。且電機轉速可在0耀15 000 r/min 之間連續(xù)調整，實現了全轉速的穩(wěn)定懸浮運行。