40 k W高速無軸承永磁同步電機空載試驗

鄒學(xué)東，張 艮，鄒衛(wèi)東

（1.南京芮沃軟件有限公司，江蘇南京 210007；2.中國華能集團南京寧華世紀(jì)置業(yè)有限公司，江蘇南京 210016；3.南昌洪都集團，江西南昌 330024）

0 引言

近年來，隨著磁懸浮技術(shù)、電力電子技術(shù)、矢量控制技術(shù)以及數(shù)字信號處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，無軸承電機理論和相關(guān)技術(shù)得到了不斷發(fā)展與完善，在離心機、渦輪分子泵、壓縮機、高速精密機械加工、航空航天、生命科學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)顯現(xiàn)出了極其重要的科研與應(yīng)用價值。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對異步型［1］，永磁型［2］和開關(guān)磁阻型［3］及其他特種結(jié)構(gòu)如單極型［4］的無軸承電機做出研究。通過研究可知，無軸承電機具有功率小、結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的特性。從效率及轉(zhuǎn)子機械完整性的角度出發(fā)，帶有碳纖維復(fù)合材料帶的表貼式永磁電機具有良好的高速運行性能。本文首先介紹了該無軸承電機的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。然后針對該無軸承電機系統(tǒng)（包括懸浮子系統(tǒng)實驗及電機轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)），設(shè)計并進行了空載試驗。實驗結(jié)果表明，空載時，該驅(qū)動裝置在全速度范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定懸浮性能。

圖1 高速無軸承永磁同步電機結(jié)構(gòu)

表1 無軸承電機參數(shù)

1 結(jié)構(gòu)描述及其主要參數(shù)

高速無軸承永磁同步電機結(jié)構(gòu)如圖1所示，其額定轉(zhuǎn)速為40000rpm，額定功率為40kW。電機機殼由帶有冷卻劑導(dǎo)管的鋁制成，定子疊片通過膠合疊壓在機殼內(nèi)，從而使得焊縫中不存在鐵軛飽和。轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組均分布在同一定子槽中，其中轉(zhuǎn)矩繞組極數(shù)對數(shù)p1為2，懸浮繞組極對數(shù)p2為3。無軸承轉(zhuǎn)矩和懸浮力單元主要參數(shù)如表1所示。電機轉(zhuǎn)子（見圖3）總長度為460mm，總質(zhì)量為12.52kg。NeFeB磁鐵被軸向分段（6段）粘在軸上并通過套有3.5mm碳纖維復(fù)合套管。轉(zhuǎn)子徑向和軸向位移通過在輔助軸壓縮鋁合金圈上安裝的電渦流位移傳感器測量。

圖1（a）40kW無軸承永磁電機結(jié)構(gòu)以及（b）帶有碳纖維繃帶的4極永磁轉(zhuǎn)子（1）和電渦流位移傳感器測量表面（2）-（3）；推力磁軸承的驅(qū)動端（右端）圓盤（4）可以被看到。

2 電機系統(tǒng)空載試驗

2.1 反電動勢

在電機設(shè)計過程中，采用有限元分析軟件Ansoft 16來分析電機的基本運行原理。圖2為空載磁力線仿真圖，圖3為26°C時電機氣隙基本磁通密度。

從圖4可以得出相感應(yīng)電壓波形的均方根值為199.42V。在相同轉(zhuǎn)速時，相電壓頻譜圖中3次諧波的峰值為18.83V。圖5為反電動勢仿真波形，和圖4中的計算值相比，兩者基本一致。同時，從圖6、7諧波頻譜圖中可以看出，相感應(yīng)電壓中具有3次諧波成分，但由于定子繞組星型連接其在線反電動勢中不再出現(xiàn)。

通過分布繞組的繞組因數(shù)的過濾效果，頻譜中的5次和7次諧波幾乎可以忽略。由于驅(qū)動繞組和懸浮繞組分布在相同的定子槽中，懸浮電流開關(guān)諧波能在驅(qū)動繞組中感應(yīng)出小電壓的磁場。這是無軸承驅(qū)動器的一個特性。

圖8為通過帶有0.1%的測量誤差的功率分析儀測出的不同轉(zhuǎn)速下基波均方值及40000rpm時的線性外推波形。通過短時間測量得出測量結(jié)束時轉(zhuǎn)子永磁鐵的溫度恰為26°C。并且，從圖中可以看出，在36024rpm時，相反電動勢基波的均方值是200.91V，其和模擬數(shù)值非常接近（199.64V）。

圖2 電機空載磁力線

圖3 26°C磁鐵溫度時氣隙磁通密度基波

圖4 轉(zhuǎn)速達36024rpm及溫度為26°C時模擬相感應(yīng)電壓波形

圖5 在36024rpm發(fā)電機運行方式感應(yīng)電壓相電壓Up和線電壓Up，LL測量波形

圖6 測量相傅里葉頻譜分析圖

圖7 在36024rpm發(fā)電運行模式下線感應(yīng)電壓波形

圖8 相反電動勢基波均方值測量波形到36024 rpm及線性外推波形到40000 rpm

2.2 電機空載電壓和電流

電機系統(tǒng)采用工作在64kHz的頻率3級電壓型逆變器。在電機低電壓情況下，線電壓只有2個電壓等級：0和UDC/2。隨著電壓增加，會有2個和3個電壓等級的變換。當(dāng)電機高速旋轉(zhuǎn)時逆變器提供一個3級電壓。逆變器輸出電壓幾乎為正弦信號，且由于電壓高頻率轉(zhuǎn)換，即使高速永磁型驅(qū)動器中典型的低驅(qū)動繞組電感系數(shù)的存在，電機的紋波電流仍然被很大的降低。

3 結(jié)論

本文首先針對該無軸承電機，進行了其結(jié)構(gòu)及參數(shù)的較為細致的闡述。還針對該無軸承電機系統(tǒng)（包括懸浮子系統(tǒng)實驗及電機轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)），設(shè)計并進行了空載試驗。實驗結(jié)果表明，在全速度范圍內(nèi)，空載條件下的該驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)良好的穩(wěn)定懸浮，且電機的運行性能良好。此外，驅(qū)動繞組帶有高開關(guān)頻率的3級逆變器的應(yīng)用具有良好性能。關(guān)于其他驅(qū)動系統(tǒng)特性的進一步測量將在下一步工作中進行從而完整的評估該驅(qū)動的特性。

［1］A.Chiba，D.T.Power，M.A.Rahman.Analysis of No-Load Characteristics of a Bearingless Induction Motor［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1995（1）：77-83.

［2］M.Ooshima，A.Chiba，T.Fukao，M.A.Rahman.Design and Analysis of Permanent Magnet-Type Bearingless Motors［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1996（2）:292-299.

［3］M.Takemoto，H.Suzuki，A.Chiba，T.Fukao，M.A.Rahman.Improved analysis of a bearingless switched reluctance motor［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001（1）:26-34.

［4］O.Ichikawa，A.Chiba，T.Fukao.Development of homo-polar type bearingless motors［J］.Thirty-Fourth IAS Annual Meeting，Conference Record of the IEEE Industry Applications Conference，1999（2）：1223-1228.