黃燕， 王曉琳， 仇志堅(jiān)， 鄧智泉

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210016)

0 引言

近年來(lái)，無(wú)軸承電機(jī)在許多國(guó)家得到了很大的發(fā)展，已經(jīng)成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。根據(jù)永磁體放置方式的不同，多種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)相繼被提出，例如:表貼式、插入式和內(nèi)裝式等。然而，絕大多數(shù)無(wú)軸承永磁電機(jī)的懸浮控制都需要轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置信號(hào)，因此如果磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)位置有偏差，那么懸浮閉環(huán)控制可能無(wú)法穩(wěn)定。這樣，懸浮與轉(zhuǎn)矩性能相互制約［2－4］。

交替極無(wú)軸承電機(jī)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型無(wú)軸承永磁電機(jī)，永磁體沿轉(zhuǎn)子表面呈同極性排列，與轉(zhuǎn)子鐵極構(gòu)成交替分布。正因?yàn)檫@種特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使得其懸浮力由直流電流產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置無(wú)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)懸浮控制與轉(zhuǎn)矩控制之間的解耦［5－7］。到目前為止，對(duì)交替極無(wú)軸承電機(jī)的研究主要是對(duì)電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)［5］、數(shù)學(xué)模型的建立和完善以及對(duì)交替極無(wú)軸承電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了研究［6－7］。

本文建立了一種交替極無(wú)軸承永磁電機(jī)的有限元仿真模型，對(duì)其懸浮機(jī)理進(jìn)行了深入的分析和驗(yàn)證，指出這種電機(jī)懸浮特性和轉(zhuǎn)矩特性與電流、轉(zhuǎn)子位置角等參數(shù)之間的關(guān)系。同時(shí)將交替極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和懸浮特性與傳統(tǒng)的表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)進(jìn)行了比較分析。

1 懸浮機(jī)理

圖1 懸浮力原理Fig．1 Principle of suspension force generation

圖1顯示了交替極無(wú)軸承永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意［7］。其定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)相同，有懸浮與轉(zhuǎn)矩兩套繞組。轉(zhuǎn)子分為鐵極和永磁體兩部分，永磁體嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，磁極沿轉(zhuǎn)子表面呈同極性排列，永磁體磁鏈通過(guò)永磁體之間的鐵極形成回路，鐵極隨之被磁化為另一種極性，從而磁極與轉(zhuǎn)子鐵極構(gòu)成交替分布。在這種類型的電機(jī)中，懸浮力產(chǎn)生的原理與傳統(tǒng)的無(wú)軸承永磁電機(jī)不同，如圖1(a)所示。此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角φm=0°，實(shí)線回路Ψm代表永磁體磁鏈，虛線回路Ψx表示由懸浮繞組電流產(chǎn)生的懸浮磁鏈。懸浮力是由永磁體磁場(chǎng)和懸浮繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的。在右半部分電機(jī)鐵極下的氣隙中，磁通密度增加，圖中對(duì)應(yīng)區(qū)域A，然而左半部分對(duì)應(yīng)的磁通密度減小，對(duì)應(yīng)區(qū)域B。因此，在水平的x軸方向產(chǎn)生一個(gè)徑向力。圖1(b)顯示了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角φm=45°時(shí)的情況:同樣在圖中區(qū)域A磁通密度增加，然而在區(qū)域B磁通密度減少。因此，產(chǎn)生的懸浮力仍然是沿著x軸方向。無(wú)論轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置如何，由于轉(zhuǎn)子鐵心部分的磁阻小，所以絕大部分懸浮控制繞組磁鏈只通過(guò)轉(zhuǎn)子鐵心，而不經(jīng)過(guò)永磁體部分，因此無(wú)軸承交替極電機(jī)的懸浮控制與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置角無(wú)關(guān)。通過(guò)控制懸浮繞組Nx的電流，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)x方向懸浮力的控制。同理，Ny繞組電流產(chǎn)生y軸方向的懸浮力［5－7］。

2 有限元仿真分析

文中采用仿真軟件ANSOFT中的Maxwell 2D二維電磁場(chǎng)仿真軟件包建立了一種24槽的交替極無(wú)軸承永磁電機(jī)的二維有限元仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了電磁場(chǎng)分析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù):額定功率PN1=1.5kW，額定轉(zhuǎn)速nN=750r/min。模型的定子上繞有懸浮和轉(zhuǎn)矩兩套繞組，分別是8極三相和2極三相繞組。在有限元建模階段，首先在Maxwell 2D幾何建模器的圖形繪制區(qū)，根據(jù)電機(jī)的尺寸參數(shù)繪制電機(jī)幾何模型。電機(jī)具體參數(shù)如下:定子內(nèi)外徑分別為63.6mm和122mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑分別為30mm和61.8mm。懸浮和轉(zhuǎn)矩繞組匝數(shù)分別為9匝和21匝，氣隙長(zhǎng)度0.9mm，永磁體剩磁Br=1.12T，鐵心有效長(zhǎng)度48mm。

圖2 有限元仿真模型Fig．2 Finite-element analysis model

2.1 轉(zhuǎn)矩分析

轉(zhuǎn)矩繞組采用8極三相的繞組分布，在其中施加三相對(duì)稱的正弦波交流電，轉(zhuǎn)矩繞組電流幅值正比于q軸電流，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩繞組電流之間的關(guān)系如圖3所示，仿真時(shí)，懸浮繞組中不加載電流。從圖中可以看出:在未達(dá)到磁飽和的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)矩繞組電流iq呈正比變化。

轉(zhuǎn)矩與懸浮繞組電流幅值之間的關(guān)系如圖4所示，仿真時(shí)，轉(zhuǎn)矩繞組的q軸電流iq=2.5A保持不變。從圖中可以看出電機(jī)中懸浮繞組電流的變化對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響不大，轉(zhuǎn)矩基本保持不變。

2.2 懸浮力分析

在懸浮電流恒定的情況下，懸浮力與轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖5和6所示。在仿真分析時(shí)，只給用于產(chǎn)生x軸方向懸浮力的懸浮繞組Nx加直流電ix，懸浮電流設(shè)定為3A，轉(zhuǎn)矩電流為0。在這種情況下，分析轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角φm在0°到90°的范圍內(nèi)，以5°為一步位于不同角位置時(shí)轉(zhuǎn)子受到的懸浮力。

圖5 懸浮力曲線Fig．5 Magnetic suspension force curve

圖5顯示了電機(jī)轉(zhuǎn)子受到的x和y軸方向上的懸浮力Fx和Fy。水平軸是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度φm。從結(jié)果中可以看出，F(xiàn)x基本保持恒定，然而Fy并不總是零，只有當(dāng) φm=0°，45°和 90°時(shí)，才等于零。圖 6 顯示電機(jī)的懸浮力方向角φf(shuō)。當(dāng)φm=22.5°和67.5°時(shí)，φf(shuō)取得最大值，大約是3°。從圖中可以看出，只在電機(jī)的懸浮繞組Nx中加懸浮電流后，產(chǎn)生的懸浮力在x軸上的分量Fx比在y軸上分量Fy大得多，懸浮力的方向角φf(shuō)的變化比較小，對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定懸浮幾乎沒(méi)有影響。所以Fy對(duì)懸浮力的影響可以忽略，可以認(rèn)為此時(shí)電機(jī)中的懸浮力恒定，指向x軸方向，懸浮力的方向與轉(zhuǎn)子的角位置無(wú)關(guān)。

圖6 懸浮力方向角Fig．6 Magnetic suspension force direction

轉(zhuǎn)矩電流幅值與懸浮電流保持恒定的情況下，徑向懸浮力與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度φm的關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，電機(jī)中施加了轉(zhuǎn)矩電流后，x和y方向懸浮力仍然維持原來(lái)的變化趨勢(shì)，轉(zhuǎn)矩電流對(duì)懸浮力幾乎沒(méi)有影響。

圖7 轉(zhuǎn)矩電流對(duì)懸浮力的影響Fig．7 Effects of torque current

徑向懸浮力與懸浮繞組電流幅值之間的關(guān)系如圖8所示，仿真時(shí)，懸浮繞組Ny中的懸浮電流設(shè)定為0，懸浮繞組Nx中施加直流電ix。從圖中可以看出，在未達(dá)到磁飽和的情況下，x軸正方向的懸浮力Fx隨懸浮電流ix的增加呈比例增大。由于iy=0即用于產(chǎn)生y方向懸浮力的懸浮電流為零，所以Fy為零保持不變。懸浮力在x軸和y軸上的分量分別由各自的懸浮電流ix和iy獨(dú)立控制，彼此互不干擾。

圖8 懸浮力與懸浮電流的關(guān)系Fig．8 Levitation forces VS currents of levitation Windings

2.3 與傳統(tǒng)表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的比較

將交替極無(wú)軸承永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和懸浮力特性與傳統(tǒng)的表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)進(jìn)行了比較研究。交替極電機(jī)采用4對(duì)極的轉(zhuǎn)矩繞組，因此首先建立了8極表貼式的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的模型，它們的定子結(jié)構(gòu)相同，將兩者的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較。在傳統(tǒng)的表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)中要產(chǎn)生可控的徑向力，轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)p1與徑向力控制繞組極對(duì)數(shù)p2必須滿足關(guān)系式p2=p1±1。然而交替極電機(jī)中轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)p1=4，徑向力控制繞組的極對(duì)數(shù)p2=1，這樣的極對(duì)數(shù)關(guān)系在表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)中無(wú)法產(chǎn)生可控的徑向力，因此又建立了一個(gè)4極表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的模型用于懸浮力的比較分析。它的轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)p1=2，徑向力控制繞組極對(duì)數(shù)p2=1，定子結(jié)構(gòu)與交替極電機(jī)相同。三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體體積保持一致，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖9所示，參數(shù)如表1所示。

圖9 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig．9 Configuration of rotor

表1 轉(zhuǎn)子參數(shù)Table 1 Parameters of rator

將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別為圖9(a)和圖9(b)的兩種8極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，它們都采用24槽的定子結(jié)構(gòu)以及8極三相的轉(zhuǎn)矩繞組分布，在轉(zhuǎn)矩電流相同的情況下，分析結(jié)果如圖10所示。表貼式電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為2.45 N·m，交替極電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為2.26 N·m。在轉(zhuǎn)矩電流相同的情況下，與表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)相比，交替極電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩小8.41%，但是交替極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較小。

圖10 轉(zhuǎn)矩的比較Fig．10 Torque comparison

圖11顯示了交替極無(wú)軸承永磁電機(jī)的懸浮力特性與傳統(tǒng)的表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的比較。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別為圖9(b)和圖9(c)的交替極和4極表貼式無(wú)軸承電機(jī)，在懸浮電流幅值相同的情況下比較懸浮力，4極表貼式電機(jī)和交替極電機(jī)的懸浮力平均值分別為35.7N和102.5N，因此交替極電機(jī)的懸浮力是4極表貼式的2.87倍。

圖11 懸浮力的比較Fig．11 Magnetic suspension comparison

從以上的仿真分析中可以看出，在定子結(jié)構(gòu)和施加的電流都相同的條件下，交替極電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與表貼式電機(jī)相近，而產(chǎn)生的懸浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表貼式電機(jī)。這是由于交替極無(wú)軸承永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心部分的磁阻比永磁體小得多，所以無(wú)論轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置如何，大部分懸浮繞組磁鏈經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子鐵心形成閉合回路，只有少部分的懸浮繞組磁鏈經(jīng)過(guò)永磁體，產(chǎn)生相同懸浮力所需要的磁勢(shì)明顯減小。在安匝數(shù)相同，產(chǎn)生相近電磁轉(zhuǎn)矩的情況下，交替極無(wú)軸承永磁電機(jī)中產(chǎn)生的懸浮力比傳統(tǒng)的表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)大得多，避免了轉(zhuǎn)矩和懸浮力的折中問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)Consequent－pole無(wú)軸承永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和懸浮原理進(jìn)行介紹。利用有限元仿真軟件ANSOFT建立了電機(jī)模型，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與懸浮力進(jìn)行仿真分析，指出轉(zhuǎn)矩和懸浮力分別正比于轉(zhuǎn)矩電流和懸浮電流，懸浮力與轉(zhuǎn)角無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn)矩與懸浮電流無(wú)關(guān)等特性。然后將交替極無(wú)軸承永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和懸浮力特性與傳統(tǒng)的表貼式無(wú)軸承永磁同步電機(jī)進(jìn)行了比較研究。分析結(jié)果表明，在相同安匝數(shù)情況下，兩者的電磁轉(zhuǎn)矩相近，而交替極電機(jī)可以產(chǎn)生更大的懸浮力。

［1］ 鄧智泉，嚴(yán)仰光．無(wú)軸承交流電動(dòng)機(jī)的基本理論和研究現(xiàn)狀［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2000，15(2):29－35．DENG Zhiquan，YAN Yangguang．The main theory and status of AC bearingless motor［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2000，15(2):29－35．

［2］ 仇志堅(jiān)，鄧智泉，嚴(yán)仰光．無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的原理及實(shí)現(xiàn)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19(11):8 －13．QIU Zhijian，DENG Zhiquan，YAN Yangguang．Principle and realization of bearingless permanent magnet synchronous motor［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2004，19(11):8－13．

［3］ 仇志堅(jiān)．永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)軸承技術(shù)研究［D］．南京:南京航空航天大學(xué)，2003．

［4］ 鄧智泉，仇志堅(jiān)，王曉琳，等．無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(1):104－108．DENG Zhiquan，QIU Zhijian，WANG Xiaolin，et al．Study on rotor flux orientation control of permanent magnet bearingless synchronous motors［J］．Proceeding of the CSEE，2005，25(1):104－108．

［5］ TAKENAGA T，KUBOTA Y，CHIBA A，et al．A principle and winding design of consequent-pole bearingless motors［J］．JSME International Journal Series C，2003，46(2):363－369．

［6］ DORRELL D G，AMEMIYA J，CHIBA A，et al．Analytical modeling of a consequent-pole bearingless permanent magnet motor［C］∥Proceedings of IEEE Power Electronics and Electric Drives Conference，June 1－4，2003，Madison，USA．2003:247－252．

［7］ AMEMIYA J，CHIBA A，DORRELL D G，et al．Basic characteristics of a Consequent-Pole-Type bearingless motor［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(1):82 －89．

［8］ WANG Xiaolin，DENG Zhiquan，LIAO Qixin，et al．The simulation of novel bearingless consequent-pole slice motor［C］∥10th ISMB，August 6－10，2006，Martingny，Switzerland．2006:73－74．

［9］ 劉國(guó)強(qiáng)，趙凌志，蔣繼婭．Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2005．

［10］ TAKENAGE T，KUBOTA Y，CHIBA A，et al．A principle and a design of a consequent-pole bearingless motor［C］∥Proceedings of 8th International Symposium Magnetic Bearings，August 26－28，2002，Mito，Japan．2002:259 －264．