無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)懸浮力新型控制策略

朱熀秋，單 龍

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

憑借調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高、壽命長(zhǎng)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)以及高性能釹鐵硼永磁材料的出現(xiàn)，無(wú)刷直流電機(jī)已在家電、硬盤、CD/VCD等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］.由于機(jī)械軸承的存在，無(wú)刷直流電機(jī)在一些免維護(hù)、長(zhǎng)周期，尤其是在高強(qiáng)度及高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合中已不能滿足其要求.無(wú)軸承電機(jī)具有無(wú)接觸、無(wú)磨損、無(wú)需潤(rùn)滑和密封、高速度、高精度、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在生命科學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)、食品化工、飛輪儲(chǔ)能等特殊傳動(dòng)領(lǐng)域有重要的使用價(jià)值和應(yīng)用前景［4-5］.

無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)除了具有一般無(wú)軸承電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外，還具備無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)需勵(lì)磁、高效可靠、出力大等優(yōu)點(diǎn)，在血液泵、高速/超高速離心機(jī)、手術(shù)切割電鋸等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及飛輪儲(chǔ)能等新能源領(lǐng)域具有較高的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，因而研究無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)具有科研價(jià)值和工程意義［6-9］.但在傳統(tǒng)無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)懸浮力控制方法中，根據(jù)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置角的不同，選擇性的導(dǎo)通懸浮力單相繞組，轉(zhuǎn)子受到的單位電流徑向懸浮力較?。?0］.電機(jī)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，控制懸浮力繞組的逆變器需通斷24次，提高了對(duì)逆變器的要求，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度［11］.逆變器開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，上述這些問(wèn)題限制了它的應(yīng)用與發(fā)展.

文中在闡述無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理的基礎(chǔ)之上提出一種懸浮力新型控制策略，并借助Ansoft軟件及Matlab/Simulink驗(yàn)證該新型控制策略的正確性.

1 無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)懸浮力產(chǎn)生原理

無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

12個(gè)定子齒均勻分布于定子磁軛的內(nèi)圓周表面上，8塊永磁體以表貼式均勻分布在轉(zhuǎn)子鐵心表面，轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組均采用集中繞組的方式纏繞在定子齒上.其中轉(zhuǎn)矩繞組由A，B，C共3相構(gòu)成，A1，A2，A3，A4繞組串聯(lián)連接構(gòu)成轉(zhuǎn)矩繞組 A相;B1，B2，B3，B4繞組串聯(lián)連接構(gòu)成轉(zhuǎn)矩繞組 B相;C1，C2，C3，C4繞組串聯(lián)連接構(gòu)成轉(zhuǎn)矩繞組 C相，轉(zhuǎn)矩繞組線圈按 A1，B1，C1，A2，B2，C2，A3，B3，C3，A4，B4，C4順序沿逆時(shí)針?lè)较蛞来卫p繞于定子齒上，電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理與傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)相似.懸浮力繞組 SU1，SU2，SV1，SV2，SW1，SW2 等 6個(gè)繞組疊壓在定子齒內(nèi)，繞組SU1，SU2為U相懸浮力繞組;繞組 SV1，SV2為 V相懸浮力繞組;繞組SW1，SW2為W相懸浮力繞組，每對(duì)繞組串聯(lián)連接，沿定子圓心對(duì)稱分布于定子齒上.懸浮力繞組導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的磁通和永磁體磁通相互疊加，打破轉(zhuǎn)子兩側(cè)原有的氣隙磁密平衡而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子徑向懸浮力.

圖2給出了3相12槽8極無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)懸浮力產(chǎn)生原理圖.

圖2 浮力產(chǎn)生原理圖

如圖2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子角θ為0°時(shí)，V相懸浮力繞組導(dǎo)通控制轉(zhuǎn)子懸浮，當(dāng)懸浮力繞組SV1，SV2通以圖示方向的電流時(shí)，氣隙1處的磁密增加，氣隙2處的磁密減少，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子兩側(cè)的氣隙磁密不平衡，產(chǎn)生V1負(fù)方向的懸浮力FV1，同理，氣隙3處的磁密增加，氣隙4處的磁密減少，產(chǎn)生V2負(fù)方向的懸浮力FV2，因此調(diào)節(jié)懸浮力繞組SV1，SV2電流的幅值和方向可以產(chǎn)生x軸向的懸浮力Fx，其為FV1和FV2的合力.同理分析可得當(dāng)U或W相的懸浮力繞組SU1，SU2或SW1，SW2導(dǎo)通時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的懸浮力，懸浮力繞組的導(dǎo)通情況主要取決于轉(zhuǎn)子角θ，其懸浮力產(chǎn)生的相位如圖3所示.

圖3 浮力產(chǎn)生的相位

當(dāng)轉(zhuǎn)子角 θ位于 0°到 15°，45°到 60°之間時(shí)，V相懸浮力繞組SV1，SV2導(dǎo)通;轉(zhuǎn)子角θ位于15°到30°，60°到75°之間時(shí)，U 相懸浮力繞組 SU1，SU2 導(dǎo)通;轉(zhuǎn)子角 θ位于 30°到 45°，75°到 90°之間時(shí)，W相懸浮力繞組SW1，SW2導(dǎo)通.懸浮力繞組以90°為周期輪流導(dǎo)通來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子徑向懸浮力，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮而無(wú)任何機(jī)械接觸.

在此繞組結(jié)構(gòu)的無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)中，采用懸浮力繞組單相導(dǎo)通技術(shù)，雖能夠使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，但轉(zhuǎn)子受到的徑向懸浮力小，這是由于磁通密度分布不平衡的氣隙只分布于懸浮力繞組導(dǎo)通的定子齒槽下，而不分布于懸浮力繞組未導(dǎo)通的定子齒槽下.且電機(jī)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，控制懸浮力繞組的逆變器需通斷24次，無(wú)疑提高了對(duì)逆變器的要求，增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜度.為改變這一現(xiàn)象，文中提出一種懸浮力新型控制方法，采用懸浮力繞組3相同時(shí)導(dǎo)通的控制策略來(lái)控制轉(zhuǎn)子懸浮.

2 懸浮力新型控制策略

2.1 無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

懸浮力新型控制策略的電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 新型電機(jī)結(jié)構(gòu)

采用3相12槽6極電機(jī)結(jié)構(gòu)，繞組A，B，C為電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組，其繞組分布及電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理與無(wú)刷直流電機(jī)相似.繞組 U1，V1，W1，U2，V2，W2 分別替代了傳統(tǒng)懸浮力繞組 SU1，SU2，SV1，SV2，SW1，SW2，在此電機(jī)結(jié)構(gòu)中，懸浮力繞組 U1，V1，W1相在同一時(shí)刻導(dǎo)通，懸浮力繞組U2，V2，W2相在同一時(shí)刻導(dǎo)通.定義U1，V1，W1相為懸浮力繞組U1-V1-W1，U2，V2，W2 相為懸浮力繞組 U2-V2-W2.每一套懸浮力繞組導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)子兩側(cè)的氣隙磁密分布不平衡，導(dǎo)致在其磁通方向上產(chǎn)生電磁力，3個(gè)方向上的電磁力合成矢量使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮.

圖5為新型控制策略中懸浮力產(chǎn)生原理示意圖.

圖5 新型控制策略懸浮力產(chǎn)生原理示意圖

由圖5可見(jiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)子角θ為30°時(shí)，懸浮力繞組U1-V1-W1導(dǎo)通，其中懸浮力繞組V1，W1相的電流值大小為懸浮力繞組U1相的一半，且方向相反，以滿足3相電流之和為零的要求，轉(zhuǎn)子兩側(cè)的氣隙磁密分布不平衡導(dǎo)致其受到如圖所示的懸浮力FU1，F(xiàn)V1，F(xiàn)W1，因此調(diào)節(jié)懸浮力繞組 U1，V1，W1 相的電流幅值和方向可以得到x軸向上的徑向懸浮力Fx，其為FU1，F(xiàn)V1，F(xiàn)W1這3者的合力.同理，轉(zhuǎn)子徑向懸浮力也可以由懸浮力繞組U2-V2-W2導(dǎo)通產(chǎn)生.根據(jù)轉(zhuǎn)子角位置的不同，2套懸浮力繞組系輪流交替導(dǎo)通產(chǎn)生徑向懸浮力，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮而無(wú)任何機(jī)械接觸.

2.2 懸浮力新型控制策略的實(shí)現(xiàn)

在無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子徑向x軸和y軸向上分別放置2個(gè)電渦流位移傳感器，利用x軸向上的電渦流位移傳感器檢測(cè)無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子沿x軸向上的實(shí)際位移，將x軸向上給定參考位移x*與實(shí)際位移比較之后得到x軸向上位移偏差，差值由PID調(diào)節(jié)器控制，得到無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子沿x軸向上的懸浮力給定值，同理，也可以得到沿y軸向上的懸浮力給定值.

圖6為兩相坐標(biāo)到三相坐標(biāo)的2/3變換示意圖.

圖6 兩相到三相坐標(biāo)系變換

由圖6 可見(jiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子角 θ位于 15°到 45°，75°到105°之間時(shí)，懸浮力繞組U1-V1-W1導(dǎo)通，x，y軸向上的懸浮力給定值，經(jīng)2/3變換得到 U1，V1，W1方向上的懸浮力給定值，如式(1)所示:

把式(1)代入力電流公式i=KF可得

然后x2，y2軸向上懸浮力給定值再經(jīng)2/3變換后得到U2，V2，W2方向上的懸浮力給定值，如式(4)所示:

把式(4)代入力電流公式i=KF可得

兩套懸浮力繞組以120°為周期輪流通電導(dǎo)通，產(chǎn)生徑向懸浮力使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，較傳統(tǒng)懸浮方法，轉(zhuǎn)子受到的單位電流徑向懸浮力將大大增加.且電機(jī)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，控制懸浮力繞組的逆變器僅需通斷12次，降低了對(duì)逆變器的要求，減小了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度.

3 有限元分析與仿真試驗(yàn)

3.1 徑向懸浮力有限元分析

為了驗(yàn)證懸浮力新型控制策略的有效性，借助Ansoft軟件建立無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的二維電磁場(chǎng)模型并對(duì)轉(zhuǎn)子徑向懸浮力進(jìn)行驗(yàn)證分析，主要參數(shù)為:定子外圓半徑40 mm;定子外圓半徑15 mm;永磁體厚度2 mm;轉(zhuǎn)軸外圓半徑6 mm;平均氣隙長(zhǎng)度0.5 mm.懸浮力繞組U1-V1-W1導(dǎo)通時(shí)的氣隙磁密分布云圖和磁力線如圖7所示.

圖7 無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)磁密分布和磁力線

由圖7可知，懸浮力繞組U1，V1，W1所在的定子齒上的磁通較其他定子齒上的磁通較大，且轉(zhuǎn)子兩側(cè)的氣隙磁密分布不平衡，轉(zhuǎn)子受到的徑向懸浮力合力在x軸向上.

徑向懸浮力仿真結(jié)果如圖8所示.

圖8 懸浮力有限元仿真結(jié)果

通過(guò)對(duì)比分析可知，當(dāng)兩種控制方法中的懸浮力繞組通以相同電流時(shí)，新型控制策略產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子徑向懸浮力較傳統(tǒng)控制策略提高約為35%.從圖8中還可以看出，當(dāng)懸浮力繞組電流上升到一定值時(shí)，轉(zhuǎn)子徑向懸浮力將不再增加，徑向懸浮力和懸浮力繞組電流不再是理想的線性關(guān)系，這是因?yàn)樵谟邢拊治鲇?jì)算中，綜合考慮了磁路飽和和非線性的影響.這種非線性關(guān)系要求在設(shè)計(jì)無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)控制器時(shí)，需要考慮磁路飽和和非線性的影響，避免在徑向負(fù)載較大的情況下，導(dǎo)致懸浮力控制系統(tǒng)失控.

3.2 控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

運(yùn)用Matlab/Simulink構(gòu)建無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真.起始時(shí)間0 s，終止時(shí)間0.2 s，仿真選用參數(shù)如下:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=5 000 r·min-1;轉(zhuǎn)矩繞組電阻Rm=1.5 Ω，互感Lm=-0.006 7 H，自感Ls=0.020 H;極對(duì)數(shù)PM=2;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.005 kg·m2;電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)ke=0.382 1;懸浮力繞組電阻Rs=1.5 Ω，自感Ls=0.015 H;極對(duì)數(shù)PB=1;電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量m=1 kg.

圖9為電機(jī)轉(zhuǎn)子在x方向未受到干擾力下時(shí)的位移曲線.

圖9 未受外力時(shí)x方向位移曲線

從圖9可見(jiàn)，最后轉(zhuǎn)軸僅在中心位置會(huì)有微小擺動(dòng)，基本維持轉(zhuǎn)軸在中心位置小范圍內(nèi)振蕩.圖10為電機(jī)轉(zhuǎn)子在x方向受到40 N干擾力時(shí)的位移曲線.

圖10 受外力時(shí)x方向位移曲線

從圖10可見(jiàn)，給x方向一個(gè)力的擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可以很快地響應(yīng)并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)軸振蕩后能基本穩(wěn)定在中心位置.仿真結(jié)果證明了該懸浮力控制子系統(tǒng)具有較好動(dòng)態(tài)性能和較快的響應(yīng)速度.

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)懸浮力控制方法的不足，提出了懸浮力繞組三相同時(shí)導(dǎo)通的控制策略，電機(jī)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，控制懸浮力繞組的逆變器僅通斷12次，降低了對(duì)逆變器的要求，減小了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度.有限元分析及控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該新型控制策略不僅能夠增加轉(zhuǎn)子的單位電流徑向懸浮力，而且該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的懸浮，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能.

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