高速永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

周鳳爭,孟慶霖,孟崢崢,王浩鳴,朱曉輝

(1. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384; 2. 國網(wǎng)天津市電力公司審計(jì)部，天津 300010)

0 引 言

高速永磁無刷直流電機(jī)具有功率密度高、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如，核材料的離心分離裝置、高速陀螺儀、旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能裝置、高速電動(dòng)工具以及電動(dòng)渦輪增壓器等。

轉(zhuǎn)子充磁方式和支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是高速永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)的主要問題之一[1-2]。對于高速永磁無刷直流電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子永磁體通常采用面貼式結(jié)構(gòu)，氣隙磁場和齒槽轉(zhuǎn)矩均與轉(zhuǎn)子充磁方式有關(guān)，本文對平行和徑向充磁進(jìn)行對比研究。文獻(xiàn)[4-5]設(shè)計(jì)了75 kW、60,000 r/min的高速永磁電機(jī)，對磁力軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計(jì)算。電磁軸承需要非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)，軸承本身的體積可能比電機(jī)大得多，且長期的可靠性(尤其在振動(dòng)嚴(yán)重的場合)難以保障?？諝廨S承結(jié)構(gòu)稍微簡單一些，但需要壓縮空氣，整個(gè)系統(tǒng)體積很大，耗能較多。為滿足長期工作的可靠性，本文采用精密滾珠軸承支撐轉(zhuǎn)子運(yùn)行，設(shè)計(jì)兩種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，即單端式支撐結(jié)構(gòu)和兩端式支撐結(jié)構(gòu)，并對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，并通過了試驗(yàn)論證。

1 轉(zhuǎn)子永磁體充磁方式的對比研究

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了2.3 kW、150000 r/min高速永磁無刷直流電機(jī)樣機(jī)，轉(zhuǎn)子永磁體采用面貼式結(jié)構(gòu)，氣隙磁場和齒槽轉(zhuǎn)矩均受磁鋼充磁方式的影響，對平行和徑向(也稱輻射)兩種充磁方式做對比研究。

1.1 氣隙磁場波形及幅值

平行充磁和徑向充磁在磁瓦生產(chǎn)過程中都很常用。圖1為高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子2極磁瓦在不同充磁方式下所得的氣隙磁場分布波形。采用平行充磁時(shí)氣隙磁場呈正弦分布，徑向充磁時(shí)氣隙磁場接近梯形波分布。經(jīng)傅里葉分解，徑向充磁的氣隙磁場基波分量是平行充磁的107.1%，3次、5次和7次諧波分別是其基波的22.3%、9.5%和1.4%。徑向充磁和平行充磁相比，雖然能將基波氣隙磁場提高7.1%，但是氣隙磁場中含有大量諧波分量。

圖1 不同充磁方式下的氣隙磁場

1.2 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩是評價(jià)永磁無刷電機(jī)性能的重要指標(biāo)。通常情況下，若氣隙磁場趨向正弦分布，則齒槽轉(zhuǎn)矩就比較小，這是多極永磁無刷交流伺服電機(jī)采用Halbach磁鋼的重要原因。在兩極電機(jī)中，若180°磁瓦采用平行充磁，則氣隙磁場就是正弦分布。通過采用平行充磁能有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩，圖2的有元分析結(jié)果就證明了這一點(diǎn)，和平行充磁相比，徑向充磁的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為4 mNm，而平行充磁的齒槽轉(zhuǎn)矩幾乎可以忽略不計(jì)。

圖2 平行和徑向充磁方式下齒槽轉(zhuǎn)矩的比較

2 轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)分析是高速永磁無刷直流電機(jī)的主要問題之一。本文采用精密的滾珠軸承，根據(jù)軸承與轉(zhuǎn)子重心的位置不同，設(shè)計(jì)制作了兩種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，即單端式支撐結(jié)構(gòu)(即：軸承位于轉(zhuǎn)子重心的一側(cè))和兩端式支撐結(jié)構(gòu)(即：軸承位于轉(zhuǎn)子重心的兩側(cè))，如圖3和圖4所示，并對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析。

圖3 單端式支撐結(jié)構(gòu)

圖4 兩端式支撐結(jié)構(gòu)

采用Ansys有限元軟件對圖3和圖4的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，轉(zhuǎn)軸材料為導(dǎo)磁不銹鋼2Cr13，分析結(jié)果如圖5、圖6和表1所示。研究表明：當(dāng)轉(zhuǎn)子由軸承支撐時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)增加兩種低頻模態(tài)：圓柱和圓錐模態(tài)，其固有頻率都比一階彎曲模態(tài)要低。

圖5 單端式軸承支撐轉(zhuǎn)子模態(tài)分析

單端式支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子重心位于圖3所示轉(zhuǎn)子的左側(cè)，圓柱模態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子的重心側(cè)嚴(yán)重偏離軸心位置，如圖5(a)所示，當(dāng)偏離幅度大于氣隙長度時(shí)，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行失敗。單端式支撐結(jié)構(gòu)的軸承集中在轉(zhuǎn)軸一側(cè)，轉(zhuǎn)子長度增加，使得轉(zhuǎn)子的臨界頻率降低。為了提高臨界頻率，軸承分別放置在轉(zhuǎn)軸兩端，如圖4所示。

兩端式軸承支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子重心位于軸承支撐的中間，和單端式軸承支撐結(jié)構(gòu)不同，圓柱模態(tài)和圓錐模態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子受軸承約束，偏離軸心幅度很小，只要定轉(zhuǎn)子之間的氣隙足夠大，轉(zhuǎn)子會(huì)很容易的跨過圓柱和圓錐模態(tài)。有限元分析結(jié)果如圖6和表1所示，相比單端式支撐結(jié)構(gòu)，兩端式支撐結(jié)構(gòu)大幅提高了轉(zhuǎn)子的臨界頻率。下面的試驗(yàn)運(yùn)行也證明了通過把單端式軸承支撐結(jié)構(gòu)改為兩端式軸承支撐結(jié)構(gòu)能夠提高轉(zhuǎn)子的臨界頻率，兩端式軸承支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子成功運(yùn)行到100,000 r/min以上。

圖6 兩端式軸承支撐轉(zhuǎn)子模態(tài)分析

模態(tài)單端式頻率/Hz兩端式頻率/Hz圓柱模態(tài)4692107圓錐模態(tài)14662446一階模態(tài)34644752二階模態(tài)593210504

3 高速永磁無刷直流電機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

考慮到高速永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行的可靠性，設(shè)計(jì)了基于MC33035無刷直流電機(jī)專用控制芯片為核心的控制系統(tǒng)，其基本構(gòu)成框圖如圖7所示。

圖7 高速永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

信號(hào)檢測主要包括電流和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的采集和檢測。由于電流霍爾元件輸出為電流型信號(hào)，經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后再經(jīng)過電容高頻濾波輸入到MC33035的9號(hào)管腳，與15號(hào)管腳的0.1 V的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，進(jìn)行過流保護(hù)。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)通過電角度互差120°的3個(gè)霍爾位置傳感器編碼得到。霍爾電路板做成電機(jī)的端壓板，如圖8所示。為了減小布線長度，中間的霍爾安裝時(shí)反向180°。轉(zhuǎn)子永磁體的長度比定子鐵芯兩端各長2 mm, 抵消永磁體端部漏磁對電機(jī)性能的影響以及用于提供霍爾位置傳感器所需磁場。

圖8 霍爾位置傳感器布置圖

在設(shè)計(jì)的高速永磁無刷直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)上，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。電機(jī)繞組反電勢波形如圖9所示，實(shí)際永磁體平行充磁不太理想，反電勢波形并不是完美的正弦波，實(shí)驗(yàn)波形和仿真計(jì)算的反電勢波形基本吻合。

圖9 繞組反電勢波形

單端式支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)到40,000 r/min以上時(shí)，轉(zhuǎn)子保護(hù)環(huán)和定子齒部發(fā)生了摩擦，轉(zhuǎn)子局部損壞如圖10所示，發(fā)生摩擦后破壞了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行失敗。兩端式支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子成功運(yùn)行到100,000 r/min以上，其電流波形如圖11所示。

圖10 單端式軸承支撐局部損壞圖

圖11 電機(jī)運(yùn)行于100,000 r/min的電流波形(10 A/div)

4 結(jié) 論

本文對比分析了不同的轉(zhuǎn)子充磁方式和轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)對氣隙磁場、齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的影響。采用平行充磁時(shí)氣隙磁場呈正弦分布，徑向充磁時(shí)氣隙磁場接近梯形波分布。研究表明：平行充磁的氣隙磁場中3次、5次和7次諧波分量小，并能有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩，因此平行充磁方式優(yōu)于徑向充磁方式。對單端式和兩端式支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，和單端式結(jié)構(gòu)相比，兩端式支撐結(jié)構(gòu)能夠提高轉(zhuǎn)子的臨界頻率。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了平行充磁和兩端式支撐結(jié)構(gòu)的2.3 kW、150000 r/min高速永磁無刷直流電機(jī)樣機(jī)和控制系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗(yàn)論證，試驗(yàn)表明：兩端式軸承支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子成功運(yùn)行到100,000 r/min以上。