朱熀秋，倪寅坤

(江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013)

用于離心泵的雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)

朱熀秋，倪寅坤

(江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013)

無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)應(yīng)用于離心泵，可實(shí)現(xiàn)離心泵的完全密封，讓傳統(tǒng)離心泵的密封難題得到解決。從空間利用率的角度，設(shè)計(jì)了一種具有新型雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)，減小了電機(jī)軸向長(zhǎng)度，分析了該磁路及懸浮力產(chǎn)生原理，并推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模型。用軟件構(gòu)建了模型并進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果證明電機(jī)具有良好的工作性能，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行。

無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)；數(shù)學(xué)模型；結(jié)構(gòu)；雙層轉(zhuǎn)子；離心泵

0 引 言

具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú)需潤(rùn)滑、高速度、高精度、長(zhǎng)壽命等一系列優(yōu)點(diǎn)的無(wú)軸承電機(jī)[1-3]，是高速電機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域里的一項(xiàng)重大突破，相比于采用磁懸浮軸承支承的高速電機(jī)，無(wú)軸承電機(jī)解決了其軸向占用空間大、控制系統(tǒng)復(fù)雜、成本高等一系列缺點(diǎn)，成為了當(dāng)今研究的熱門(mén)項(xiàng)目，在機(jī)械加工、半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度小于轉(zhuǎn)子直徑，呈薄片狀，3個(gè)自由度處于被動(dòng)懸浮狀態(tài)，余下3個(gè)自由度主動(dòng)控制懸浮，從而實(shí)現(xiàn)了5自由度全懸浮運(yùn)行[4]，是一種進(jìn)一步簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)了實(shí)用性的無(wú)軸承電機(jī)。在薄片電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝葉片，并讓其在一個(gè)密閉的泵室中懸浮運(yùn)行時(shí)，就構(gòu)成了無(wú)軸承薄片電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心泵系統(tǒng)[5]，實(shí)現(xiàn)了小型化、高密封性、超潔凈等設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子的物理隔離解決了泵系統(tǒng)中所面臨的液體分子擠壓破壞、接觸面磨損易腐蝕等技術(shù)難題，成為新的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于生命科學(xué)、化工工業(yè)、半導(dǎo)體加工等行業(yè)。

本文根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)原理及無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)中繞組極對(duì)數(shù)關(guān)系原理[7]，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為2，懸浮力繞組極對(duì)數(shù)為1的無(wú)軸承薄片電機(jī)泵，減小了電機(jī)軸向長(zhǎng)度，提高了電機(jī)空間利用率，并對(duì)其磁路及懸浮力產(chǎn)生原理進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了電機(jī)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)有限元仿真對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該結(jié)構(gòu)的可行性，為泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了新的思路。

1 雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)薄片電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)軸承薄片電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)子由上下兩層結(jié)構(gòu)，永磁體分布空間角度相差90°，轉(zhuǎn)子之間由不導(dǎo)磁材料制作的葉片相連，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不相交，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同步。

圖1 雙轉(zhuǎn)子薄片電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

定子由6個(gè)獨(dú)立的C型柱體構(gòu)成，采用集中式繞組結(jié)構(gòu)，其中，轉(zhuǎn)矩繞組2對(duì)極，懸浮力繞組1對(duì)極。這種結(jié)構(gòu)同時(shí)在上下齒中產(chǎn)生磁通，實(shí)現(xiàn)對(duì)上下層轉(zhuǎn)子的同步控制。這種特殊結(jié)構(gòu)有效地節(jié)省了電機(jī)的軸向空間，從而提高了電機(jī)空間利用率。而且，電機(jī)泵工作時(shí)，流體的沖擊會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子位移造成擾動(dòng)，雙層轉(zhuǎn)子的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)有著更好的穩(wěn)定性，工作原理如圖2所示，輸送的液體從入口流入，經(jīng)過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪的帶動(dòng)，從出口流出。與普通的無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)泵(如圖3所示)相比，由于液體流動(dòng)方式的改變，轉(zhuǎn)子在軸向受到的擾動(dòng)因素減少；同時(shí)，轉(zhuǎn)子的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)對(duì)徑向的抗擾動(dòng)能力更強(qiáng)，因此，新設(shè)計(jì)的電機(jī)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)具有更好的穩(wěn)定性。

圖2 雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的薄片電機(jī)泵工作原理圖

圖3 普通薄片電機(jī)泵工作原理圖

電機(jī)3個(gè)自由度的被動(dòng)懸浮原理和普通結(jié)構(gòu)的薄片電機(jī)原理[8]相同，如圖4和圖5所示。電機(jī)主動(dòng)懸浮力產(chǎn)生原理如圖6所示，電機(jī)磁路呈立體式，上下磁路對(duì)稱(chēng)，方向相反。氣隙中，2對(duì)極的轉(zhuǎn)矩繞組磁磁通與1對(duì)極的懸浮力繞組磁通疊加，產(chǎn)生可控的徑向麥克斯韋力，實(shí)現(xiàn)徑向位移的主動(dòng)控制。

圖4 被動(dòng)懸浮力產(chǎn)生原理

圖5 被動(dòng)懸浮扭矩產(chǎn)生原理

圖6 徑向主動(dòng)懸浮力產(chǎn)生原理

2 雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)薄片電機(jī)數(shù)學(xué)模型

電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組為2對(duì)極，懸浮力繞組為1 對(duì)極，則6個(gè)轉(zhuǎn)矩繞組中的電流可表示[9]：

式中:Im為轉(zhuǎn)矩繞組電流矢量幅值;θm為轉(zhuǎn)矩電流電角度。

6個(gè)懸浮力繞組中的電流可表示：

式中:Is為懸浮力繞組電流矢量幅值;θs為懸浮力繞組電流電角度。

轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)近似作正弦，在6個(gè)定子齒產(chǎn)生的磁勢(shì)可寫(xiě)作：

式中:H為永磁體矯頑力;l為永磁體厚度;θr為轉(zhuǎn)子電角度初始相位角。

根據(jù)等效磁路法，有：

式中:Φk為每條磁路中磁通；R為磁路磁阻；W1,W2為繞組匝數(shù)?；?jiǎn)可得：

忽略邊緣效應(yīng)，各齒氣隙處磁通密度為：

式中:r為轉(zhuǎn)子半徑；d為轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度；α為定子弧寬。

根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式，轉(zhuǎn)子表面受到的作用力有：

則可得x和y方向上的懸浮力Fx和Fy分別為：

代入定轉(zhuǎn)子磁通可得：

從磁場(chǎng)角度分析，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理與永磁薄片電機(jī)原理[9]相似，由電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

代入式(3)和式(5)，有：

3 基于Ansoft軟件的有限元仿真分析

利用Ansoft軟件對(duì)本文所設(shè)計(jì)的雙層轉(zhuǎn)子無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)建模，并進(jìn)行有限元分析。其中，電機(jī)參數(shù)：轉(zhuǎn)子半徑為20 mm，氣隙寬度1 mm，轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度4 mm，轉(zhuǎn)子間距5 mm，永磁體厚度2 mm，剩磁1.23 T，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為2，永磁體充磁方式為平行充磁。電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)為2，懸浮力繞組極對(duì)數(shù)為1，兩套繞組通電電流均為400安·匝。進(jìn)行有限元仿真分析，氣隙中永磁體產(chǎn)生的磁通分布情況如圖7所示?？梢钥闯?，氣隙中，磁通峰值在0.7 T左右。軸向移動(dòng)及翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的被動(dòng)懸浮力、被動(dòng)扭矩大小如圖8、圖9所示。在軸向被動(dòng)磁拉力分析計(jì)算中，保持通電電流幅值不變，取軸向偏移分別為0.1 mm,0.2 mm,0.3 mm,0.4 mm,0.5 mm時(shí)的瞬間狀態(tài)，計(jì)算出轉(zhuǎn)子所受到的軸向磁拉力，由圖8所知，近似呈線(xiàn)性關(guān)系；在被動(dòng)懸浮扭矩的分析計(jì)算中，取沿x軸翻轉(zhuǎn)不同角度的瞬間狀態(tài)計(jì)算轉(zhuǎn)子所受到的被動(dòng)懸浮扭矩，從圖9中可以看出，扭矩隨著翻轉(zhuǎn)角度增大而增加。綜上所述，隨著軸向位移長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)子翻轉(zhuǎn)角度的增加，電機(jī)提供的被動(dòng)磁拉力和被動(dòng)懸浮力矩逐漸增大，能夠?qū)崿F(xiàn)3自由度的被動(dòng)穩(wěn)定懸浮。圖10是轉(zhuǎn)子機(jī)械角度分別在-45°,0°和45°下電機(jī)的徑向主動(dòng)懸浮力與徑向位移關(guān)系圖。圖10表明，在電流幅值相等的情況下，徑向主動(dòng)懸浮力的大小會(huì)受到轉(zhuǎn)子機(jī)械角度和轉(zhuǎn)子徑向偏移角度的影響，隨著偏心位移增加，電機(jī)提供的主動(dòng)徑向懸浮力逐漸增大，在偏心達(dá)到0.6 mm時(shí)，作用力能夠達(dá)到50 N。其中，在偏心位移為0時(shí)，轉(zhuǎn)子角度為0°時(shí)，轉(zhuǎn)子所受到的徑向懸浮力為11.87 N，根據(jù)模型，代入?yún)?shù)計(jì)算得出理論值為12.13 N，分析結(jié)果與模型基本相符?？梢?jiàn)，電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的徑向位移的主動(dòng)控制。

圖7 氣隙磁密分布

圖8 軸向被動(dòng)懸浮力

圖9 被動(dòng)懸浮扭矩

圖10 徑向主動(dòng)懸浮力

4 試 驗(yàn)

實(shí)際的試驗(yàn)樣機(jī),如圖11所示。轉(zhuǎn)子半徑為40 mm，軸向長(zhǎng)度為8 mm，轉(zhuǎn)子間距為15 mm，電機(jī)氣隙為2 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制采用基于轉(zhuǎn)子同步坐標(biāo)系的矢量控制策略，懸浮控制采用直接位移控制。

圖11 電機(jī)樣機(jī)圖

試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，圖12(a)為電機(jī)繞組電流圖，圖12(b)為電機(jī)轉(zhuǎn)子中心位置圖。由圖12可見(jiàn)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子能實(shí)現(xiàn)懸浮，在中心位置附近振蕩，由于電機(jī)樣機(jī)為初期樣機(jī)，本體結(jié)構(gòu)參數(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化，轉(zhuǎn)子振蕩較為明顯，但仍在可控范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的結(jié)構(gòu)的可行性。

(a)繞組電流波形(截圖)(b)轉(zhuǎn)子中心位移(截圖)

圖12 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)集傳統(tǒng)永磁電機(jī)與無(wú)軸承電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，高轉(zhuǎn)速、高效率、無(wú)摩擦，無(wú)磨損、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其在泵領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸、無(wú)污染的液體傳輸，有重要的研究?jī)r(jià)值。本文研究了一種雙層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)，有效利用空間磁路，從結(jié)構(gòu)上減小了電機(jī)軸向長(zhǎng)度，提高了空間利用率，并分析了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理與無(wú)軸承薄片電機(jī)5自由度懸浮原理，建立了數(shù)學(xué)模型，通過(guò)有限元仿真，分別從軸向移動(dòng)距離、翻轉(zhuǎn)角度與被動(dòng)懸浮力之間和徑向位移與主動(dòng)懸浮力之間的關(guān)系進(jìn)行分析，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步驗(yàn)證，結(jié)果表明新設(shè)計(jì)的電機(jī)能夠產(chǎn)生足夠的懸浮力實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。為無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

[1] SCHOB R，BARLETTA N，HAHN J．The bearingless centrifugal pump：A perfect example of a mechatronics system[C]//Proceedings of the 1st IFAC-Conference on Mechatronic Systems．Darmstadt，Germany：IFAC，2000：559-562．

[2] SILBER S，AMRHEIN W，BOSCH P，et al．Design aspects of bearingless slice motors[J]．IEEE Transactions on Mechatrionics，2005，10(6)：611-617．

[3] NUSSBARMER T，KARUTZ P，ZURCHER F，et al．Magnetically levitated slice motors—an overview[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47(2) ：754-766．

[4] BOSCH P，BARLETTA N．High power bearingless slice motor (3-4kW) for bearingless canned pumps[C]//Proceedings of the 9th International Symposium on Magnetic Bearings．Kentucky，USA：Kentucky University，2004：1466-1471．

[5] 朱熀秋，陳金海．無(wú)軸承永磁薄片電動(dòng)機(jī)泵原理及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，30(5)：517-521.

[6] ASAMA J，F(xiàn)UKAO T,CHIBA A．A design consideration of a novel bearingless disk motor for artificial Hearts[C]//Energy Conversion Congress and Exposition．IEEE,2009：1693-1699．

[7] BICHSEL J.The bearingless electrical machine[C]//International Symposium on Magnetic Suspension Technology,NASA,1992:561-573.

[8] 左文全．無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)懸浮力模型及數(shù)字控制研究[D]．鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2012．

[9] 廖啟新．無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)的研究[D]．南京:南京航空航天大學(xué),2005．

Design of a Bearingless PM Slice Motor with Dual Rotor for Centrifugal Pumps

ZHUHuang-qiu,NIYin-kun

(Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

The bearingless PM slice motor, which is used in centrifugal pump, realizes the high sealing of the pump. Considering the space utilization, a novel bearigless PM slice motor with the structure of dual rotor was designed.The motor height was reduced. The magnetic circuit and the suspension force was studied, including the radial suspension force formula and motor mathematical model. Analysis by using finite element method was conducted, which proved the possibility of the structure.

bearingless PM slice motor; mathematical model; structure; dual rotor; centrifugal pump

2016-01-13

江蘇省“青藍(lán)工程”(2014)項(xiàng)目;江蘇省“333工程”(2014)項(xiàng)目;江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(2014)

TM351

A

1004-7018(2017)03-0009-04

朱熀秋(1964-)，男，教授，主要從事無(wú)軸承電機(jī)精密驅(qū)動(dòng)及控制、磁懸浮高速傳動(dòng)系統(tǒng)理論及控制、電機(jī)及其運(yùn)動(dòng)控制等研究。