交替極無軸承電機的轉(zhuǎn)矩與懸浮特性

黃燕， 王曉琳， 仇志堅， 鄧智泉

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210016)

0 引言

近年來，無軸承電機在許多國家得到了很大的發(fā)展，已經(jīng)成為目前的一個研究熱點。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)無軸承永磁電機的懸浮控制都需要轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置信號，因此如果磁場旋轉(zhuǎn)位置有偏差，那么懸浮閉環(huán)控制可能無法穩(wěn)定。這樣，懸浮與轉(zhuǎn)矩性能相互制約［2－4］。

交替極無軸承電機是近年來出現(xiàn)的一種新型無軸承永磁電機，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。正因為這種特殊的轉(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)位置無關(guān)，從而實現(xiàn)懸浮控制與轉(zhuǎn)矩控制之間的解耦［5－7］。到目前為止，對交替極無軸承電機的研究主要是對電機本體優(yōu)化設(shè)計［5］、數(shù)學(xué)模型的建立和完善以及對交替極無軸承電機的優(yōu)缺點進行了研究［6－7］。

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

1 懸浮機理

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

圖1顯示了交替極無軸承永磁電機的結(jié)構(gòu)示意［7］。其定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的無軸承永磁同步電機相同，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。在這種類型的電機中，懸浮力產(chǎn)生的原理與傳統(tǒng)的無軸承永磁電機不同，如圖1(a)所示。此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角φm=0°，實線回路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和懸浮繞組電流產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生的。在右半部分電機鐵極下的氣隙中，磁通密度增加，圖中對應(yīng)區(qū)域A，然而左半部分對應(yīng)的磁通密度減小，對應(yīng)區(qū)域B。因此，在水平的x軸方向產(chǎn)生一個徑向力。圖1(b)顯示了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角φm=45°時的情況: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轉(zhuǎn)子鐵心，而不經(jīng)過永磁體部分，因此無軸承交替極電機的懸浮控制與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置角無關(guān)。通過控制懸浮繞組Nx的電流，就可以實現(xiàn)對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二維電磁場仿真軟件包建立了一種24槽的交替極無軸承永磁電機的二維有限元仿真模型，并對其進行了電磁場分析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。實驗樣機參數(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)電機的尺寸參數(shù)繪制電機幾何模型。電機具體參數(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，氣隙長度0.9mm，永磁體剩磁Br=1.12T，鐵心有效長度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，懸浮繞組中不加載電流。從圖中可以看出:在未達到磁飽和的情況下，電機的轉(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，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中懸浮繞組電流的變化對轉(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，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，才等于零。圖 6 顯示電機的懸浮力方向角φf。當(dāng)φm=22.5°和67.5°時，φf取得最大值，大約是3°。從圖中可以看出，只在電機的懸浮繞組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的變化比較小，對電機的穩(wěn)定懸浮幾乎沒有影響。所以Fy對懸浮力的影響可以忽略，可以認為此時電機中的懸浮力恒定，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，電機中施加了轉(zhuǎn)矩電流后，x和y方向懸浮力仍然維持原來的變化趨勢，轉(zhuǎn)矩電流對懸浮力幾乎沒有影響。

圖7 轉(zhuǎn)矩電流對懸浮力的影響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，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)表貼式無軸承永磁同步電機的比較

將交替極無軸承永磁電機的轉(zhuǎn)矩和懸浮力特性與傳統(tǒng)的表貼式無軸承永磁同步電機進行了比較研究。交替極電機采用4對極的轉(zhuǎn)矩繞組，因此首先建立了8極表貼式的無軸承永磁同步電機的模型，它們的定子結(jié)構(gòu)相同，將兩者的轉(zhuǎn)矩進行比較。在傳統(tǒng)的表貼式無軸承永磁同步電機中要產(chǎn)生可控的徑向力，轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)p1與徑向力控制繞組極對數(shù)p2必須滿足關(guān)系式p2=p1±1。然而交替極電機中轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)p1=4，徑向力控制繞組的極對數(shù)p2=1，這樣的極對數(shù)關(guān)系在表貼式無軸承永磁同步電機中無法產(chǎn)生可控的徑向力，因此又建立了一個4極表貼式無軸承永磁同步電機的模型用于懸浮力的比較分析。它的轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)p1=2，徑向力控制繞組極對數(shù)p2=1，定子結(jié)構(gòu)與交替極電機相同。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極電機的轉(zhuǎn)矩進行比較，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。表貼式電機的平均轉(zhuǎn)矩為2.45 N·m，交替極電機的平均轉(zhuǎn)矩為2.26 N·m。在轉(zhuǎn)矩電流相同的情況下，與表貼式無軸承永磁同步電機相比，交替極電機的平均轉(zhuǎn)矩小8.41%，但是交替極電機的轉(zhuǎn)矩脈動比較小。

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

圖11顯示了交替極無軸承永磁電機的懸浮力特性與傳統(tǒng)的表貼式無軸承永磁同步電機的比較。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別為圖9(b)和圖9(c)的交替極和4極表貼式無軸承電機，在懸浮電流幅值相同的情況下比較懸浮力，4極表貼式電機和交替極電機的懸浮力平均值分別為35.7N和102.5N，因此交替極電機的懸浮力是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，交替極電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與表貼式電機相近，而產(chǎn)生的懸浮力遠遠大于表貼式電機。這是由于交替極無軸承永磁電機轉(zhuǎn)子鐵心部分的磁阻比永磁體小得多，所以無論轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置如何，大部分懸浮繞組磁鏈經(jīng)過轉(zhuǎn)子鐵心形成閉合回路，只有少部分的懸浮繞組磁鏈經(jīng)過永磁體，產(chǎn)生相同懸浮力所需要的磁勢明顯減小。在安匝數(shù)相同，產(chǎn)生相近電磁轉(zhuǎn)矩的情況下，交替極無軸承永磁電機中產(chǎn)生的懸浮力比傳統(tǒng)的表貼式無軸承永磁同步電機大得多，避免了轉(zhuǎn)矩和懸浮力的折中問題。

3 結(jié)語

本文首先對Consequent－pole無軸承永磁電機的結(jié)構(gòu)和懸浮原理進行介紹。利用有限元仿真軟件ANSOFT建立了電機模型，對電機的轉(zhuǎn)矩與懸浮力進行仿真分析，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)角無關(guān)，轉(zhuǎn)矩與懸浮電流無關(guān)等特性。然后將交替極無軸承永磁電機的轉(zhuǎn)矩和懸浮力特性與傳統(tǒng)的表貼式無軸承永磁同步電機進行了比較研究。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，而交替極電機可以產(chǎn)生更大的懸浮力。

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