李兵偉，劉賢興，許 潔

(江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212013)

0 引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種性能優(yōu)越、應(yīng)用前景廣闊的電機(jī)，它結(jié)合了直流電機(jī)和交流電機(jī)的特點(diǎn)，既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)［1］。

本文將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)造了一種兩自由度的無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。這種電機(jī)具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú)污染、不需潤(rùn)滑和密封、高速度、高精度、高功率密度、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［2］，其轉(zhuǎn)速可達(dá)5 000～80 000 r/min，且壽命可達(dá)上萬(wàn)小時(shí)，其緊湊的結(jié)構(gòu)為研究特種新型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)空間。因此，無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外設(shè)、飛輪儲(chǔ)能、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［3－4］。

電磁設(shè)計(jì)是高性能的無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文對(duì)無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了分析與研究，采用Ansoft/Maxwell 2D有限元分析軟件［5］對(duì)無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)分析檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性與合理性，為進(jìn)一步優(yōu)化無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)做好準(zhǔn)備。

1 二自由度無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行機(jī)理分析

1.1 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與繞組排布

二自由度無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)如圖1所示，它采用兩套繞組疊繞在同一定子槽中，一套為轉(zhuǎn)矩繞組，用來(lái)產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩;另一套為懸浮力繞組，用來(lái)控制轉(zhuǎn)子的徑向位置。所采用的電機(jī)是12槽8極內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。根據(jù)無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的懸浮和控制機(jī)理，我們對(duì)電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體結(jié)果如圖2所示。

圖1 二自由度無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

圖2 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子起始位置如圖2所示，第一塊永磁體貼片充磁方向?yàn)橛蓛?nèi)向外，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，取第一塊永磁體貼片下邊緣與x軸間的夾角為轉(zhuǎn)子位置角φ。其中 a11、a12、a111、a122 屬于 a1繞組，a21、a22、a211、a222屬于 a2繞組，a1與 a2屬于 a套繞組，兩分支相互獨(dú)立，但a1a2各自包含的兩組繞組是串聯(lián)的。b和c套繞組也有類似的結(jié)構(gòu)。在電機(jī)剖面圖上?表示流入平面，⊙表示流出平面，并且在Maxwell 2D仿真規(guī)則中規(guī)定，電流流出平面賦正值，流入平面賦負(fù)值。

1.2 繞組導(dǎo)通規(guī)律分析

為了證明提出的繞組結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮所需的懸浮力，本文在假設(shè)要產(chǎn)生X軸正方向懸浮力的前提下，預(yù)估出所需要的繞組導(dǎo)通規(guī)律(詳細(xì)推理過(guò)程限于篇幅不再展開(kāi))(如圖3所示)，并運(yùn)用有限元分析軟件建立仿真模型，按照預(yù)期規(guī)律在不同的轉(zhuǎn)子位置時(shí)刻加載相應(yīng)的電流，由仿真結(jié)果可知，此種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生假定情況下預(yù)期的懸浮力，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子在任何運(yùn)行情況下的穩(wěn)定懸浮成為可能。

圖3中給出了轉(zhuǎn)矩繞組U、V、W和懸浮繞組繞組A、B、C的電流在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，圖中縱坐標(biāo)為電流值，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子機(jī)械角。預(yù)期根據(jù)上述規(guī)律可生成x軸正方向的懸浮力。其中，懸浮繞組:a1=C A，a2=0 A，b1=0.5C A，b2=0.866C A，c1=0.866C A，c2=0.5C A，C 是一個(gè)常量。

圖3 繞組導(dǎo)通規(guī)律

電機(jī)為8極，故電機(jī)一對(duì)磁極對(duì)應(yīng)360°電角度，其對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度為90°，又由于電機(jī)為12槽，槽間夾角為30°，據(jù)繞組形式可知，電機(jī)運(yùn)行以90°機(jī)械角為周期。轉(zhuǎn)矩繞組與傳統(tǒng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)通規(guī)律類似，工作于兩相導(dǎo)通三相星型六狀態(tài)下，每刻均有兩相繞組導(dǎo)通，各相繞組分別持續(xù)導(dǎo)通120°電角度。

1.3 懸浮力產(chǎn)生原理及數(shù)學(xué)模型［6－7］

在圖4中，根據(jù)繞組排布規(guī)律，為三套懸浮力繞組a、b、c定義了三個(gè)坐標(biāo)平面，其中a1－a2面與x－y坐標(biāo)面重合，b1－b2、c1－c2坐標(biāo)面分別由a1－a2坐標(biāo)面逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)120°和 240°獲得。

根據(jù)圖3，將一個(gè)周期分為6段，每段跨越15°機(jī)械角，下面闡述這六個(gè)空間段內(nèi)懸浮力的生成方式與其所遵循的數(shù)學(xué)公式。

圖4 坐標(biāo)定義

在0°～15°與 45°～60°階段，b套懸浮繞組導(dǎo)通，由b1與b2產(chǎn)生的電磁力依據(jù)矢量合成來(lái)生成x軸正向的懸浮力，如圖5所示。

圖5 0°～15°與45°～60°階段轉(zhuǎn)子受力矢量合成圖

所產(chǎn)生懸浮力的大小與懸浮繞組中加載的電流大小有關(guān)，并且兩個(gè)并聯(lián)分支中電流的比例決定產(chǎn)生力的方向，大小決定力的大小。根據(jù)對(duì)三套懸浮繞組坐標(biāo)面的定義，可以將其產(chǎn)生懸浮力的大小轉(zhuǎn)化為常用的x－y正交坐標(biāo)系下的量來(lái)分析，結(jié)果如下:

式中:k為比例系數(shù)，以下兩式同理。

在15°～30°與 60°～75°階段，a 套懸浮繞組導(dǎo)通，由a1與a2產(chǎn)生的電磁力依據(jù)矢量合成來(lái)生成x軸正向的懸浮力，與另兩組不同之處在于，這兩個(gè)空間段每次只導(dǎo)通兩個(gè)分支中的一支來(lái)產(chǎn)生x軸正向的懸浮力，如圖6所示。

圖6 15°～30°與60°～75°階段轉(zhuǎn)子受力矢量合成圖

所產(chǎn)生懸浮力的大小與懸浮繞組中加載的電流關(guān)系:

在30°～45°與 75°～90°階段，c套懸浮繞組導(dǎo)通，由c1與c2產(chǎn)生的電磁力依據(jù)矢量合成來(lái)生成x軸正向的懸浮力，如圖7所示。

圖7 30°～45°與75°～90°階段轉(zhuǎn)子受力矢量合成圖

所產(chǎn)生懸浮力的大小與懸浮繞組中加載的電流關(guān)系:

2 二自由度無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的有限元分析

采用Ansoft/Maxwell有限元分析軟件對(duì)無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組導(dǎo)通規(guī)律，由Maxwell 2D靜磁場(chǎng)分析［8］結(jié)果可知，該無(wú)軸承電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生指定方向的穩(wěn)定懸浮力，可以實(shí)現(xiàn)兩自由度的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)要求。磁路分析如圖8所示。

圖8 二自由度無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的磁路分析

圖中，T1～T6分別對(duì)應(yīng)上節(jié)所述的一個(gè)導(dǎo)通周期中的六個(gè)空間段。為了克服永磁磁場(chǎng)的強(qiáng)大影響，得到明顯的效果圖，磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖是在加載較大電流情況下得到的，但其只是為了使試驗(yàn)效果明顯，以便于分析比較，仍具備參考價(jià)值。

現(xiàn)對(duì)仿真結(jié)果做以下分析:

(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖

從磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖中可以看出磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布與方向走勢(shì)。例如，在T1與T3中，b繞組導(dǎo)通，從圖中可知b1繞組所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)定子齒處一個(gè)磁場(chǎng)變?nèi)?，另一個(gè)磁場(chǎng)變強(qiáng)。對(duì)于b2繞組也是如此。根據(jù)麥克斯韋力的產(chǎn)生原理可知，會(huì)產(chǎn)生如圖4中與方向的麥克斯韋力，其大小取決于電流的大小，而這兩個(gè)力的方向與x軸正方向夾角分別為60°與30°，只要兩者的比例滿足要求其合力就可以滿足設(shè)計(jì)要求指向x軸正方向。

同理T2與T4、T3與T6分別與圖5、圖6對(duì)應(yīng)，可以做同上的分析結(jié)果。

可知，仿真結(jié)果與理論分析基本一致。

(2)轉(zhuǎn)子受力波形

轉(zhuǎn)子受力波形圖中橫坐標(biāo)為有限元分析的求解次數(shù)，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子受到的懸浮力，單位為N。從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子在各指定位置處受力變化趨勢(shì)是逐步趨于穩(wěn)定的。而受力大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)給定電流來(lái)調(diào)節(jié)。另外，波形中的震蕩反映了一些干擾因素，主要有以下兩方面:

(a)懸浮繞組與轉(zhuǎn)矩繞組間的耦合與相互干擾。

由于本文闡述的繞組結(jié)構(gòu)使同齒的懸浮繞組和轉(zhuǎn)矩繞組不同時(shí)導(dǎo)通，從而降低了干擾。

(b)轉(zhuǎn)子上的永磁體在懸浮繞組中感生EMF。

本結(jié)構(gòu)中懸浮繞組的排布是對(duì)稱的，且關(guān)于轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的兩分支是相互串聯(lián)的，所以，每套懸浮繞組的各分支中感生的EMF大小相等、方向相反，基本相互抵消。

通過(guò)以上分析，證明了本設(shè)計(jì)可以有效地降低干擾，而且可以產(chǎn)生大小與方向可調(diào)的懸浮力，在此基礎(chǔ)上，只要采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ň涂梢栽诟鱾€(gè)轉(zhuǎn)子位置時(shí)刻通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)來(lái)產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子趨于穩(wěn)定的懸浮力，因此此設(shè)計(jì)是可行的。

3 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)化后的主要參數(shù)

無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)模型的主要參數(shù)如表1、表2所示。

表1 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子參數(shù)

表2 無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，構(gòu)造了一種兩自由度的無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，提出一種新型的繞組結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了原型機(jī)，并根據(jù)磁懸浮力產(chǎn)生機(jī)理估算出針對(duì)產(chǎn)生X軸正方向懸浮力時(shí)一個(gè)周期內(nèi)的繞組導(dǎo)通規(guī)律，并應(yīng)用Maxwell 2D軟件建立2D仿真模型，進(jìn)行靜磁場(chǎng)分析。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，說(shuō)明在預(yù)估的繞組導(dǎo)通規(guī)律下可產(chǎn)生基本穩(wěn)定的X軸正向懸浮力，并且此力的大小與方向均可調(diào)，這就為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮控制奠定了基礎(chǔ)。這就說(shuō)明了所提出的新型電機(jī)繞組分布及結(jié)構(gòu)的合理性，也說(shuō)明本設(shè)計(jì)是可行的。

后期實(shí)驗(yàn)后，可以繼續(xù)對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，改善電機(jī)的運(yùn)行性能，尤其是對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮要進(jìn)行更深入的研究。

［1］孫建忠，白鳳仙.特種電機(jī)及其控制［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

［2］賈磊.無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)原理與控制技術(shù)［D］.江蘇大學(xué)，2009.

［3］方曉廳.磁懸浮無(wú)刷直流電機(jī)及其在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中的應(yīng)用研究［D］.西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［4］方曉廳，盧建康，高揚(yáng)，等.磁懸浮無(wú)軸承無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制及仿真研究［J］.微電機(jī)，2006，39(1):66－68.

［5］費(fèi)德成，孫玉坤，朱幌秋.Ansoft軟件在電機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào).2009，31(5):95－97.

［6］Ooshima M.Winding Arrangement to Increase Suspention Force in Bearingless Motors with Brushless DC Structure［C］//Proceedings of Industrial Electronics Society，2007.IECON 2007.33rd Annual Conference of the IEEE.TaiPei，2007:181－186.

［7］Ooshima M.Magnetic Suspension Characteristics of a Bearingless Brushless DC Motor［C］//Power and Energy Society General Meeting－Conversion and Delivery of Elecrical Energy in the 21st Century.Pittsburgh，USA，2008:1－5.

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