方 超，賈紅云，袁安富，顧冬霞

(南京信息工程大學(xué)，南京210044)

0 引 言

無(wú)軸承電機(jī)具有無(wú)摩擦、無(wú)污染、無(wú)需潤(rùn)滑、高速度、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，為新型電氣傳動(dòng)領(lǐng)域提供研究方向［1］。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的無(wú)軸承電機(jī)結(jié)構(gòu)主要有無(wú)軸承感應(yīng)電機(jī)、無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、無(wú)軸承永磁同步電機(jī)等，但是無(wú)軸承感應(yīng)電機(jī)存在懸浮力與轉(zhuǎn)矩難以解耦，轉(zhuǎn)速易受到懸浮力干擾，電機(jī)效率較低的缺點(diǎn);無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好，但功率密度小、效率低等特點(diǎn)嚴(yán)重制約了電機(jī)性能的進(jìn)一步提高;無(wú)軸承永磁同步電機(jī)因其運(yùn)行可靠、體積小、高效率、高功率密度等優(yōu)勢(shì)，在飛輪儲(chǔ)能、航空航天、化工等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。但是傳統(tǒng)的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)永磁體通常貼裝于轉(zhuǎn)子表面或內(nèi)嵌于轉(zhuǎn)子，破壞了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的完整性，為此防止電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)磁鋼受到離心力影響而脫落，在轉(zhuǎn)子上都裝有不銹鋼或金屬纖維材料制作的保護(hù)裝置，冷卻條件差而溫升導(dǎo)致以釹鐵硼為主的磁性材料性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生不可逆退磁、限制電機(jī)出力、減少功率密度等問(wèn)題［2-4］。

為解決上述問(wèn)題，近幾年提出了幾種新型的定子永磁型電機(jī)，即將永磁體置于定子，如磁通切換永磁電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱FSPM)［5］、雙凸極永磁電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱DSPM)［6］、磁通反向永磁電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱FRPM)［7］等，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體又無(wú)繞組，此類電機(jī)適合高速運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上我們提出了一種永磁體位于定子的新型無(wú)軸承磁通切換永磁(BFSPM)電機(jī)，本文詳細(xì)闡述了新型無(wú)軸承電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和徑向力產(chǎn)生原理，并通過(guò)有限元分析了電機(jī)電磁特性，驗(yàn)證了電機(jī)的結(jié)構(gòu)正確性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

提出的12/10 極BFSPM 電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。定子極除了電樞繞組之外，還引入了X，Y 軸方向的懸浮繞組，并一同疊壓在定子槽內(nèi)。電樞繞組是由每4 個(gè)線圈串聯(lián)成一相繞組以構(gòu)成A，B，C三相，Px1，Px2，Px3三套懸浮繞組串聯(lián)構(gòu)成X 軸正方向懸浮繞組，而Px4，Px5，Px6構(gòu)成X 軸負(fù)方向懸浮繞組，Y 軸懸浮繞組連接方式同理。電機(jī)正常工作時(shí)電樞繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而懸浮繞組產(chǎn)生X，Y 徑向懸浮力以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮;定、轉(zhuǎn)子皆由硅鋼片疊壓而成，且為雙凸極結(jié)構(gòu);永磁體內(nèi)嵌于定子軛部采用切向交替充磁。

2 徑向懸浮力產(chǎn)生原理

本文提出的BFSPM 電機(jī)徑向力產(chǎn)生原理與傳統(tǒng)無(wú)軸承電機(jī)原理相似，即通過(guò)定子上加載懸浮繞組打破原電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)平衡，使得電機(jī)氣隙某一區(qū)域磁場(chǎng)增強(qiáng)，而相對(duì)稱的區(qū)域氣隙磁場(chǎng)減弱，從而利用不對(duì)稱磁場(chǎng)產(chǎn)生麥克斯韋力大小和方向來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定懸?。?］。

圖2 徑向懸浮力產(chǎn)生原理圖

如圖2 所示，通過(guò)控制X 方向懸浮繞組中電流大小和方向來(lái)控制X 方向的徑向力大小和方向。當(dāng)懸浮繞組未通入電流時(shí)，此時(shí)電機(jī)完全可視為FSPM 電機(jī)來(lái)運(yùn)行，由于結(jié)構(gòu)、氣隙磁密完全對(duì)稱，徑向力受力平衡，此時(shí)在麥克斯韋力作用下轉(zhuǎn)子處于中心位置，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心時(shí)就可以通過(guò)控制X，Y 軸方向懸浮繞組電流大小來(lái)控制徑向位移。本文以X 軸方向懸浮繞組Px2，Px5為例來(lái)分析徑向力產(chǎn)生原理。X 軸方向的徑向力產(chǎn)生原理如圖2 所示，永磁體產(chǎn)生主磁場(chǎng)，磁力線如圖中粗線所示;懸浮繞組產(chǎn)生徑向力控制磁場(chǎng)，磁力線如圖中虛線所示;表示X 軸方向通入的懸浮電流。當(dāng)給懸浮繞組Px2，Px5通入電流，根據(jù)“磁阻最小原理”，磁通沿著磁阻最小的路徑閉合組成回路，即在氣隙1 處永磁磁場(chǎng)與懸浮磁場(chǎng)方向相同，磁場(chǎng)增強(qiáng);在氣隙2 處永磁磁場(chǎng)與懸浮磁場(chǎng)方向相反，磁場(chǎng)減弱，從而導(dǎo)致電機(jī)兩邊氣隙磁場(chǎng)明顯不平衡，產(chǎn)生如圖2 所示的X方向的徑向懸浮力Fx，通過(guò)控制通入的懸浮電流大小和方向來(lái)控制懸浮力的大小和方向。

3 有限元分析

3.1 永磁磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)特性

BFSPM 電機(jī)每相繞組有4 個(gè)轉(zhuǎn)矩繞組，例如A1，A2，A3，A4，由于每套線圈繞組具有互補(bǔ)性，使每相永磁磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)具有很好的正弦性，且每相之間互差120°，如圖3、圖4 所示。

圖4 空載反電動(dòng)勢(shì)

3.2 磁通密度分布

BFSPM 電機(jī)初始角θr=0°位置定義如圖5 所示。如圖6(a)所示是θr=0°磁力線分布圖，此時(shí)X，Y 軸方向懸浮繞組均未通入電流，只有永磁體單獨(dú)作用，相鄰兩塊永磁體產(chǎn)生的磁通穿過(guò)氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子未偏心時(shí)，麥克斯韋力對(duì)稱分布，合力為零。如圖6(b)所示為相同轉(zhuǎn)子位置通入X 軸方向懸浮繞組電流時(shí)磁力線分布圖，此時(shí)懸浮繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)打破了永磁體產(chǎn)生的主磁場(chǎng)平衡，X 軸正方向的磁場(chǎng)增強(qiáng)，X 軸負(fù)方向的磁場(chǎng)減弱，而由于Y軸方向未通入懸浮電流，Y 軸正負(fù)方向磁場(chǎng)平衡，因此轉(zhuǎn)子受到X 方向的懸浮力Fx。

圖6 磁力線分布圖

徑向氣隙磁密曲線進(jìn)一步驗(yàn)證了無(wú)軸承電機(jī)徑向懸浮力原理，圖7(a)為未通入懸浮電流時(shí)氣隙圓周的徑向氣隙磁密分布，由于結(jié)構(gòu)的完全對(duì)稱性，把圖7(a)曲線左移180°與原來(lái)曲線完全重合。圖7(b)為通入X 軸方向懸浮繞組電流時(shí)氣隙磁密分布圖，此時(shí)曲線左移180°，X 軸正方向徑向氣隙磁密明顯大于X 軸負(fù)方向，而Y 軸正負(fù)方向徑向氣隙磁密完全對(duì)稱，因此產(chǎn)生如圖2 所示的X 方向的徑向懸浮力Fx，因此有限元分析結(jié)果與徑向懸浮力原理產(chǎn)生吻合。

圖7 徑向氣隙磁密分布圖

3.3 徑向懸浮力

圖8 為懸浮力隨轉(zhuǎn)子位置的變化曲線，其中F是轉(zhuǎn)子所受的合力;Fx，F(xiàn)y分別是X，Y 軸方向的徑向力。此時(shí)懸浮繞組通入1 A 電流，由圖8 可見(jiàn)，F(xiàn)y隨著位置變化很小，并且Fy的值都在零附近波動(dòng)，相比于Fx可以忽略不計(jì)［9］，此外合力F 曲線幾乎與Fx重合，并且方向隨著轉(zhuǎn)子位置變化很小而只與加載電流方向相關(guān)。這是本文所提出的BFSPM 電機(jī)一個(gè)最明顯優(yōu)點(diǎn)，它與無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)截然不同，無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)徑向力會(huì)隨著轉(zhuǎn)子極與定子極重疊區(qū)域的增大而增大，并且合力也會(huì)隨著定轉(zhuǎn)子極重疊區(qū)軸線方向變化而變化［10］。為了分析懸浮電流對(duì)徑向力的影響，利用有限元計(jì)算了徑向懸浮力隨電流大小變化的曲線，如圖9 所示，由圖9 可見(jiàn)，徑向力隨著繞組電流的增加而增大。

圖9 徑向力隨電流的變化曲線

3.4 電磁轉(zhuǎn)矩

通過(guò)有限元計(jì)算出BFSPM 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出特性，圖10 為通入5 A 電樞電流時(shí)不同轉(zhuǎn)子位置的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果。由圖10 可見(jiàn)，電磁轉(zhuǎn)矩在4 N·m 附近波動(dòng)。

圖10 電磁轉(zhuǎn)矩波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種新型的定子12 極、轉(zhuǎn)子10 極的BFSPM 電機(jī)，詳細(xì)闡述了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和徑向力產(chǎn)生機(jī)理，通過(guò)有限元建模仿真分析了磁場(chǎng)分布、氣隙磁密、徑向力、轉(zhuǎn)矩等特性驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)和原理的可行性，為無(wú)軸承電機(jī)的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)。

［1］ 朱熀秋，張濤.無(wú)軸承永磁同步電機(jī)有限元分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(3):136 -140.

［2］ 嚴(yán)欣平.無(wú)軸承永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與控制策略研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2008.

［3］ 孫曉東，陳龍，楊澤斌，等.無(wú)軸承永磁同步電機(jī)電感特性分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，48(6):1059 -1065.

［4］ 曹鑫，鄧智泉，楊鋼，等.一種無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)獨(dú)立控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(24):94 -100.

［5］ 朱瑛，程明，花為，等.磁通切換永磁電機(jī)的空間矢量脈寬調(diào)制控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(3):45 -50.

［6］ CHENG M，CHAU K T，CHAN C C.Static characteristics of a new doubly salient permanent magnet motor［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2001，16(1):20 -25.

［7］ KIM T H，JANG K B，CHUN Y D，et al.Comparison of the characteristics of a flux reversal machine under the different driving methods［J］. IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(5):1916 -1919.

［8］ 張濤.無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與有限元分析［J］.微電機(jī)，2007，40(5):28 -31.

［9］ MATSUZAKI T，TAKEMOTO M，OGASAWARE S，et al. Rotor structure suppressing suspension force ripple in an IPM type bearingless motor with 2 -pole motor windings and 4 -pole suspension windings［C］//IEEE. International Conference on Electrical Machines，2012，744 -750.

［10］ 王喜蓮，葛寶明，王旭東.一種無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)懸浮性能分析［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013，17(1):7 -12.