新型無軸承無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析

李兵偉，劉賢興，許 潔

(江蘇大學，江蘇鎮(zhèn)江212013)

0 引 言

無刷直流電動機是一種性能優(yōu)越、應用前景廣闊的電機，它結(jié)合了直流電機和交流電機的特點，既具備交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點［1］。

本文將磁懸浮技術(shù)應用于無刷直流電動機構(gòu)造了一種兩自由度的無軸承無刷直流電動機。這種電機具有無摩擦、無磨損、無污染、不需潤滑和密封、高速度、高精度、高功率密度、壽命長等優(yōu)點［2］，其轉(zhuǎn)速可達5 000～80 000 r/min，且壽命可達上萬小時，其緊湊的結(jié)構(gòu)為研究特種新型電氣傳動系統(tǒng)提供了設(shè)計空間。因此，無軸承無刷直流電動機在數(shù)控機床、計算機外設(shè)、飛輪儲能、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景［3－4］。

電磁設(shè)計是高性能的無軸承無刷直流電動機的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文對無軸承無刷直流電動機結(jié)構(gòu)和運行規(guī)律進行了分析與研究，采用Ansoft/Maxwell 2D有限元分析軟件［5］對無軸承無刷直流電動機進行了有限元分析，通過分析檢驗設(shè)計的正確性與合理性，為進一步優(yōu)化無軸承無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)做好準備。

1 二自由度無軸承無刷直流電動機結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行機理分析

1.1 無軸承無刷直流電動機結(jié)構(gòu)設(shè)計與繞組排布

二自由度無軸承無刷直流電動機如圖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，用來產(chǎn)生電機轉(zhuǎn)矩;另一套為懸浮力繞組，用來控制轉(zhuǎn)子的徑向位置。所采用的電機是12槽8極內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電動機。根據(jù)無軸承無刷直流電動機的懸浮和控制機理，我們對電機繞組結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行設(shè)計，具體結(jié)果如圖2所示。

圖1 二自由度無軸承無刷直流電動機基本結(jié)構(gòu)

圖2 無軸承無刷直流電動機繞組結(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為由內(nèi)向外，轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(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，流入平面賦負值。

1.2 繞組導通規(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，預估出所需要的繞組導通規(guī)律(詳細推理過程限于篇幅不再展開)(如圖3所示)，并運用有限元分析軟件建立仿真模型，按照預期規(guī)律在不同的轉(zhuǎn)子位置時刻加載相應的電流，由仿真結(jié)果可知，此種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生假定情況下預期的懸浮力，從而使電機轉(zhuǎn)子在任何運行情況下的穩(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的電流在一個周期內(nèi)的導通情況，圖中縱坐標為電流值，橫坐標為轉(zhuǎn)子機械角。預期根據(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 是一個常量。

圖3 繞組導通規(guī)律

電機為8極，故電機一對磁極對應360°電角度，其對應的機械角度為90°，又由于電機為12槽，槽間夾角為30°，據(jù)繞組形式可知，電機運行以90°機械角為周期。轉(zhuǎn)矩繞組與傳統(tǒng)無刷直流電動機的導通規(guī)律類似，工作于兩相導通三相星型六狀態(tài)下，每刻均有兩相繞組導通，各相繞組分別持續(xù)導通120°電角度。

1.3 懸浮力產(chǎn)生原理及數(shù)學模型［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定義了三個坐標平面，其中a1－a2面與x－y坐標面重合，b1－b2、c1－c2坐標面分別由a1－a2坐標面逆時針方向旋轉(zhuǎn)120°和 240°獲得。

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

圖4 坐標定義

在0°～15°與 45°～60°階段，b套懸浮繞組導通，由b1與b2產(chǎn)生的電磁力依據(jù)矢量合成來生成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)對三套懸浮繞組坐標面的定義，可以將其產(chǎn)生懸浮力的大小轉(zhuǎn)化為常用的x－y正交坐標系下的量來分析，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 套懸浮繞組導通，由a1與a2產(chǎn)生的電磁力依據(jù)矢量合成來生成x軸正向的懸浮力，與另兩組不同之處在于，這兩個空間段每次只導通兩個分支中的一支來產(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套懸浮繞組導通，由c1與c2產(chǎn)生的電磁力依據(jù)矢量合成來生成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 二自由度無軸承無刷直流電動機的有限元分析

采用Ansoft/Maxwell有限元分析軟件對無軸承無刷直流電動機進行有限元分析，根據(jù)無軸承無刷直流電動機繞組導通規(guī)律，由Maxwell 2D靜磁場分析［8］結(jié)果可知，該無軸承電機繞組結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生指定方向的穩(wěn)定懸浮力，可以實現(xiàn)兩自由度的穩(wěn)定運行，滿足設(shè)計要求。磁路分析如圖8所示。

圖8 二自由度無軸承無刷直流電動機的磁路分析

圖中，T1～T6分別對應上節(jié)所述的一個導通周期中的六個空間段。為了克服永磁磁場的強大影響，得到明顯的效果圖，磁感應強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效果明顯，以便于分析比較，仍具備參考價值。

現(xiàn)對仿真結(jié)果做以下分析:

(1)磁感應強度矢量分布圖

從磁感應強度矢量分布圖中可以看出磁場的強度分布與方向走勢。例如，在T1與T3中，b繞組導通，從圖中可知b1繞組所對應的兩個定子齒處一個磁場變?nèi)?，另一個磁場變強。對于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對應，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為有限元分析的求解次數(shù)，縱坐標為轉(zhuǎn)子受到的懸浮力，單位為N。從圖中可見，轉(zhuǎn)子在各指定位置處受力變化趨勢是逐步趨于穩(wěn)定的。而受力大小可以通過調(diào)節(jié)給定電流來調(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)矩繞組不同時導通，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稱的，且關(guān)于轉(zhuǎn)軸對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。

通過以上分析，證明了本設(shè)計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?shù)目刂品椒ň涂梢栽诟鱾€轉(zhuǎn)子位置時刻通過實時跟蹤調(diào)節(jié)來產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子趨于穩(wěn)定的懸浮力，因此此設(shè)計是可行的。

3 無軸承無刷直流電動機優(yōu)化后的主要參數(shù)

無軸承無刷直流電動機模型的主要參數(shù)如表1、表2所示。

表1 無軸承無刷直流電動機定轉(zhuǎn)子參數(shù)

表2 無軸承無刷直流電動機繞組參數(shù)

4 結(jié) 語

本文將磁懸浮技術(shù)應用于無刷直流電動機，構(gòu)造了一種兩自由度的無軸承無刷直流電動機，提出一種新型的繞組結(jié)構(gòu)。設(shè)計了原型機，并根據(jù)磁懸浮力產(chǎn)生機理估算出針對產(chǎn)生X軸正方向懸浮力時一個周期內(nèi)的繞組導通規(guī)律，并應用Maxwell 2D軟件建立2D仿真模型，進行靜磁場分析。通過對仿真結(jié)果的分析，說明在預估的繞組導通規(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)，這就為實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮控制奠定了基礎(chǔ)。這就說明了所提出的新型電機繞組分布及結(jié)構(gòu)的合理性，也說明本設(shè)計是可行的。

后期實驗后，可以繼續(xù)對電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)進一步優(yōu)化，改善電機的運行性能，尤其是對轉(zhuǎn)矩脈動與轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮要進行更深入的研究。

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

［2］賈磊.無軸承無刷直流電機原理與控制技術(shù)［D］.江蘇大學，2009.

［3］方曉廳.磁懸浮無刷直流電機及其在計算機硬盤中的應用研究［D］.西北工業(yè)大學，2006.

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

［5］費德成，孫玉坤，朱幌秋.Ansoft軟件在電機教學中的應用［J］.電氣電子教學學報.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］劉國強.Ansoft工程電磁場有限元分析［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.