張 松

(南京師范大學 計算機科學與技術(shù)學院，江蘇 南京 210023)

一種用于小型水泵的無軸承電機磁懸浮性能分析

張 松

(南京師范大學 計算機科學與技術(shù)學院，江蘇 南京 210023)

提出一種用于小型水泵的無軸承無刷直流電機，介紹了其結(jié)構(gòu)、磁懸浮產(chǎn)生的原理以及磁懸浮控制的策略，并進行了無軸承無刷直流電機的模型仿真及磁懸浮性能測試試驗。有限元法分析計算的結(jié)果證明所設(shè)計的這種用于小型水泵的無軸承無刷直流電機的模型精確有效。使用所設(shè)計的機械樣機進行了懸浮性能測試試驗，通過試驗證明以2200rad/s最大轉(zhuǎn)子速度和8.2L/s最大水流量驅(qū)動小型水泵時，轉(zhuǎn)子能夠成功地懸浮而沒有機械支撐。從結(jié)果中可以得到所設(shè)計的磁懸浮控制策略作為無軸承無刷直流電機的控制方法是有效的，并且所設(shè)計的無軸承無刷直流電機特別適用于驅(qū)動小型水泵系統(tǒng)。

無軸承電機； 磁軸承； 磁懸浮性能； 水泵

0 引 言

在高速驅(qū)動、水泵驅(qū)動以及特殊環(huán)境驅(qū)動場合，例如真空中、航空航天中、高溫中等[1]，無軸承驅(qū)動技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。在傳統(tǒng)的水泵驅(qū)動設(shè)備中，通常需要設(shè)備具有免維修和長壽命的特性；軸承和電機轉(zhuǎn)軸之間的機械摩擦產(chǎn)生的粉末金屬很可能被混到液體中。為了滿足一些特殊場合的需求，無軸承驅(qū)動技術(shù)被廣泛運用到水泵的驅(qū)動中[2-5]，尤其是小容量的設(shè)備中。無軸承無刷直流電機[6-10]作為無軸承電機的一種，由于線圈末端較短，因此尤其適合作為小型水泵的驅(qū)動設(shè)備。本文提出一種用于小型水泵的無軸承無刷直流電機，介紹了其結(jié)構(gòu)、懸浮力產(chǎn)生原理以及懸浮控制方法，并進行了無軸承無刷直流電機的模型仿真及磁懸浮性能測試試驗(測試轉(zhuǎn)子處于靜態(tài)和動態(tài)時的磁懸浮及小型水泵安裝無軸承無刷直流電機并得以驅(qū)動時的懸浮情況)。試驗結(jié)果證明本文所設(shè)計的磁懸浮控制策略作為無軸承無刷直流電機的控制方法是有效的，并且所設(shè)計的無軸承無刷直流電機特別適用于驅(qū)動小型水泵系統(tǒng)。

1 電機結(jié)構(gòu)和懸浮力產(chǎn)生原理

1.1 無軸承無刷直流電機結(jié)構(gòu)

圖1所示為所設(shè)計的應用于小型水泵的無軸承無刷直流電機橫截面。它由12槽的定子和環(huán)形永磁體制成的6極轉(zhuǎn)子組成。標號為mu1- 4、mv1- 4和mw1- 4的電機繞組產(chǎn)生短距繞組分布的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。電機繞組的分布與傳統(tǒng)的電機無刷直流電機相同；轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理也同樣相同。標號為su1、su2、sv1、sv2、sw1和sw2的電機繞組產(chǎn)生懸浮力。如圖1所示，每個懸浮繞組纏繞在完全相反的齒槽中。

圖1 無軸承無刷直流電機的橫截面

1.2 懸浮力產(chǎn)生原理

圖2所示為轉(zhuǎn)子角位置為15°時懸浮力產(chǎn)生的原理。粗箭頭顯示的是氣隙中的永磁體區(qū)域磁通。圖2中，懸浮繞組sv1和sv2通電，進而在永磁轉(zhuǎn)子表面分別產(chǎn)生了引力和斥力。最終，如圖2所示的方向上產(chǎn)生懸浮力Fsv1。同樣，懸浮繞組sv2通電產(chǎn)生懸浮力Fsv2，懸浮繞組sv1和sv2上的電流幅值需要正確調(diào)整以便在x軸的正方向上產(chǎn)生Fsv1和Fsv2的矢量合力。改變懸浮繞組sv1和sv2中電流幅值和方向產(chǎn)生任意的懸浮力。懸浮繞組su1和su2通電產(chǎn)生懸浮力Fsu1和Fsu2，同樣產(chǎn)生Fsu1和Fsu2的合力。另外，F(xiàn)sw1和Fsw2的矢量合力也產(chǎn)生一懸浮力，這個合力由懸浮繞組sw1和sw2通電引起。根據(jù)轉(zhuǎn)子角位置從三對懸浮繞組su1-su2、sv1-sv2、sw1-sw2選擇任意一組通電。

圖2 懸浮力產(chǎn)生的原理(定子角位置15°)

2 磁懸浮控制系統(tǒng)

圖3所示為所設(shè)計的無軸承無刷直流電機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在控制系統(tǒng)中，電機控制器和傳統(tǒng)的無刷直流電機相類似。因此，磁懸浮控制器將在文中重點描述。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

2.1 磁懸浮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 懸浮繞組和量垂直坐標系

圖4 懸浮力繞組和兩垂直坐標變換的定義

在其他角位置，x-y坐標系中的懸浮力信號同樣轉(zhuǎn)化成sv1-sv2坐標系中，如圖4(b)所示，相對于su1和su2軸旋轉(zhuǎn)。另外懸浮力信號也轉(zhuǎn)化成sw1和sw2坐標軸，如圖4(c)所示相對sv1和sv2軸旋轉(zhuǎn)120°。使用這3個坐標軸產(chǎn)生懸浮力，接下來描述如何選擇繞組。

2.3 繞組選取

在所設(shè)計的控制方法中，僅當轉(zhuǎn)子磁極N極和S極之間范圍處在定子齒槽的邊界時懸浮繞組開始通電。當轉(zhuǎn)子永磁體的磁極正對著通有不變電流的懸浮繞組時，懸浮繞組一直通電。

(1)

式中：k——電流常量，圖4(b)所示的x和y軸旋轉(zhuǎn)120°得到sv1和sv2軸。

(2)

式中，su1和su2與x-y軸相對應。

(3)

式中，sw1和sw2相對于x和y軸旋轉(zhuǎn)240°。從式(1)～式(3)可得，在15°的全周期中，懸浮繞組su1-su2、sv1-sv2和sw1-sw2至少有一對通電。對于每對繞組根據(jù)電流命令控制懸浮繞組中的電流。結(jié)果，轉(zhuǎn)子可以穩(wěn)定地懸浮而沒有機械支撐。

圖5所示為懸浮繞組通電一周，懸浮力沿著x軸的正方向是懸浮力繞組電流波形的一個例子。

圖5 x軸正方向懸浮力的控制指令

3 磁懸浮力試驗結(jié)果

使用機械樣機測試磁懸浮性能。裝有所設(shè)計的無軸承無刷直流電機原模型的結(jié)構(gòu)如圖6所示。轉(zhuǎn)軸在永磁轉(zhuǎn)子環(huán)的內(nèi)部。徑向保護軸承安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)表面。當電機處于靜態(tài)和緊急狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子壓在軸上。因為水壓，在軸的方向上機械軸承成功地支撐著轉(zhuǎn)子。氣隙傳感器安裝在水泵相反面的量垂直坐標中，根據(jù)氣隙傳感器檢測到位置控制轉(zhuǎn)子徑向位置。圖7和表1分別顯示的是機械樣機的參數(shù)。

圖6 帶有無軸承驅(qū)動技術(shù)的水泵原模型

圖7 定子和轉(zhuǎn)子模型的直徑

參數(shù)名稱參數(shù)值永磁體厚度/mm6．45氣隙長度/mm2．3機械的軸長度/mm27導體直徑/mm0．6電機繞組匝數(shù)/匝12懸浮繞組匝數(shù)/匝90懸浮繞組的額定電流/A0．58

3.1 磁懸浮測試

本試驗中主要考察轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的懸浮情況。圖8為轉(zhuǎn)子在1500rad/s時的位移波形。該位移波形是在沒有懸浮控制的條件下實現(xiàn)的。圖8中，轉(zhuǎn)子徑向位移較大，以至于產(chǎn)生轉(zhuǎn)子降落現(xiàn)象，并且由于轉(zhuǎn)子降落導致轉(zhuǎn)子的運行時產(chǎn)生噪聲。圖9為轉(zhuǎn)子的徑向位移，此時轉(zhuǎn)子的速度是1500rad/s并且在磁懸浮控制的作用下實現(xiàn)控制。由以上試驗結(jié)果可知，轉(zhuǎn)子的懸浮位移振動范圍在30μm之內(nèi)，表明轉(zhuǎn)子實現(xiàn)了無機械摩擦的完全懸浮，轉(zhuǎn)子成功懸浮而沒有機械支撐。

圖8 沒有懸浮控制下的轉(zhuǎn)子徑向位移的波形(1500rad/s)

圖9 磁懸浮控制下的轉(zhuǎn)子徑向位移的波形(1500r/s)

還可以注意到，轉(zhuǎn)子的振動頻率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步變化，表明轉(zhuǎn)子振動是由機械不平衡引起的。

3.2 驅(qū)動水泵的磁懸浮性能

圖10為無軸承無刷直流電機安裝在水泵中并以2200rad/s和8.2L/s水流驅(qū)動時在x-y軸上的轉(zhuǎn)子徑向位移。定子外殼和永磁體轉(zhuǎn)子之間的空隙是0.5mm。圖10(a)描述的是轉(zhuǎn)子的位移相當大，機械保護軸承部分支撐轉(zhuǎn)子，因為磁懸浮控制沒有開起。

圖10 無軸承無刷直流電機安裝在水泵內(nèi)并以2200rad/s、8.2L/s工作時轉(zhuǎn)子徑向位移的波形

從圖10(b)可見轉(zhuǎn)子徑向位移小于0.05mm。轉(zhuǎn)子速度低于2200rad/s和水流量小于8.2L/s時，這種操作也能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定漂浮。這就意味著無軸承無刷直流電機安裝在水泵中時，沒有機械支撐轉(zhuǎn)子可以成功懸浮。磁懸浮控制器中的參數(shù)不同于沒有安裝無軸承無刷直流電機的水泵參數(shù)。

4 結(jié) 語

本文展示了一種用于小型水泵中的無軸承無刷直流電機中磁懸浮的試驗結(jié)果。使用無軸承無刷直流電機的模型，轉(zhuǎn)子可以穩(wěn)定懸浮而不需機械支撐。當所設(shè)計的無軸承無刷直流電機安裝在小型水泵模型中并以最大的轉(zhuǎn)子速度2200rad/s和最大的水流量8.2L/s驅(qū)動時，轉(zhuǎn)子也能夠穩(wěn)定懸浮。從結(jié)果中可以得到所設(shè)計的磁懸浮控制策略作為無軸承無刷直流電機的控制方法是有效的。所設(shè)計的無軸承無刷直流電機特別適用于驅(qū)動小型水泵系統(tǒng)。

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Magnetic Suspension Performance of Bearingless Motor for Small Liquid Pump*

ZHANGSong

(College of Computer Science and Technology， Nanjing Normal University， Nanjing 210023， China)

The experiment results of the magnetic suspension in a bearingless brushless DC motor to apply in small liquid pumps was presented. The bearingless motor structure, the principle of the suspension force generation and the magnetic suspension control strategy in the bearingless brushless DC motor had been proposed by the author. A prototype bearingless brushless DC motor had been designed based on the computed results by Finite Element Method(FEM) to apply a small liquid pump. It was confirmed by the experiments using the prototype machine that the rotor was successfully suspended without mechanical contact when it drived a liquid pump at the maximum rotational speed of 2200rad/s and the maximum fluid flow of 8.2L/s. This result showed that the control method was valid and the proposed bearingless brushless DC motor was enough suitable as the drive for the small liquid pump.

bearingless motor; magnetic bearing; magnetic suspension performance; liquid pump

國家自然科學基金資助項目(50575099)

張 松(1966—) ，男，高級工程師，研究方向為計算機科學技術(shù)、電機與電氣工程及高壓配電技術(shù)。

TM 301.4

A

1673-6540(2016)12- 0053- 05

2016-07-12