无轴承永磁电机及其控制

永磁型无轴承电机：功率密度大、长 寿命、高效率和体积小，在飞轮储能、 泵类、压缩机、卫星姿态调整等领域 更具备实用化的优势。
苏黎世联邦工学院和Levitronix公司研制 成功的无轴承永磁电机驱动的血泵以及 可移植到人体内的左心室辅助装置已在 临床中应用。 东京理工大学和MotorSolution公司于 2008年将交替极型无轴承永磁电机应用 于半导体制造工厂中的超纯水泵的电机, 其最高转速为6000r/min、功率为1.2kW。
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永磁型无轴承电机研究现状
目前，不同转子结构的无轴承永磁电机已经相继研究出现。 例如表面贴装式、嵌入式、埋入式、混合式、交替极式等。 研究热点主要集中在电机数学模型、无轴承电机本体优化、 控制策略解耦分析等方面。（南航、浙江大学、江苏大学）
N
S
N
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S
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e)交替极式
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位置传感器 基准环 定子 转子永磁体 悬 浮 端 . 光码盘
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辅助轴承 机壳 转矩、悬浮控制绕组 调心辅助轴承
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无轴承永磁电机原理（以表贴式为例）
图 无轴承永磁同步电机是在普通永磁同步电机定子电枢铁心原有绕组基 (a)中转矩绕组磁场与悬浮绕组磁场在右侧同向而增强，左侧反向而 础上再叠绕一套绕组，通过两套绕组磁场的叠加使电机同时具有旋转 减弱，从而产生向右的磁拉力，而图(b)中两套绕组磁场叠加后产生 向上的磁拉力。通过有效控制两套绕组的电流即可产生可控的任意方 和自悬浮能力。 向和大小的磁拉力。由传感器测得转子的偏心位移，进行转子径向位 其中转矩控制绕组通适当电流后产生旋转磁场带动永磁转子以同步转 移的负反馈控制，根据一定的算法可求出两套绕组所需的电流，从而 速旋转，而悬浮控制绕组通以电流后产生的磁场叠加在电机原旋转磁 控制转子上的径向悬浮力的大小和方向，实现转子的稳定悬浮。 场上，打破了原有的磁场平衡，使得合成的气隙磁场作用在转子上产 生一定方向和大小的磁拉力。 关键：两套绕组磁场的相位关系
w1=w2
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3 2
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w1=w2/2
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N
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无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁同步电机研究现状
无轴承永磁同步电机结构原理
无轴承永磁同步电机建模方法
2 m Fe m 0 2 B z ( Bn m Fe m 0 H t2 ) n 2m Fe m 0 2m 0
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无轴承永磁电机数学建模（以表贴式为例）
麦克斯韦力作用方向垂直于转子表面，一般分析电机气隙磁场时都是假定 气隙磁密是对称均匀分布的，此时其合成麦克斯韦力为零，如左图所示。
减弱
Fy
S
S N N S N
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N
N
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Fx
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增强
无轴承永磁电机原理（以表贴式为例）
研究表明，只有当转矩控制绕组极对数与悬浮控制绕组极对数满足 p1=p2±1，且同步旋转角速度w1=w2时，才能产生可控的径向悬浮力。 以p1=2、p2=1为例，下图较形象的说明只有当w1=w2时，才能产生同 一方向的力（如克服重力），否则不可能实现稳定的悬浮。 所以悬浮控制需要时刻知道气隙磁场的旋转位置角，以保证悬浮控制 绕组磁场在适当的时刻叠加在适当的转子旋转位置上，以形成所需的 SS NN 悬浮力。 N S S N
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永磁型无轴承电机研究趋势
（4）无轴承电机解耦控制算法的研究
目前研究的无轴承永磁电机控制策略中，转矩控制子系统和悬浮控制子系统 之间大多存在气隙磁场信息传递，电机的转矩控制与悬浮力控制之间存在非 线性强耦合特性，使得两者控制策略相互制约，导致解耦算法复杂，不利于 实用化。因此，采用转矩控制子系统和悬浮控制子系统独立控制，既使得悬 浮控制摆脱转矩控制绕组磁场定向控制精度以及其参数变化的影响，又可实 现转矩控制绕组可以采用通用变频器，提高了实用性。 无轴承电机相对于普通电机结构更为复杂，不同工况下的电机参数变化对转 矩控制和悬浮控制性能造成的影响更为明显。一方面，通过运用现代控制理 论的方法，例如模型参考自适应控制对绕组电感系数等相应参数测量、辨识 或采用补偿控制来消除参数变化对电机转速、电磁悬浮力和电磁转矩等性能 指标的影响，从而提高悬浮运行控制的鲁棒性。另一方面，鉴于无轴承电机 本身是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，选择稳定性好、鲁棒性强、 适用面广的控制方法设计出性能优良的控制器如H∞控制，以提高无轴承系统 的稳定性和动态特性。
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永磁型无轴承电机研究趋势
（5）无速度无位移传感器技术的研究
永磁型无轴承电机采用的磁场定向控制的性能受需要检测的转子位置和速度 精度的影响较大，而悬浮力与转矩的解耦控制性能又受转矩控制绕组所检测 的气隙磁场空间位置与幅值的影响。对在高速领域具备独特优良性能的无轴 承电机来说，显然采用机械式传感器显得不合时宜。因此研究无轴承电机的 无位置/速度传感器运行已成为无轴承电机实现高速、超高速化的迫切需要。 检测转子悬浮位移的电涡流传感器一方面存在安装精度与可靠性问题，另一 方面传感器数量多，造价昂贵，又占有一定的轴向检测空间，增加了无轴承 电机系统的体积和长度，不利于无轴承电机的实用化。现有无位移传感器检 测技术都是基于电机绕组自感变化或互感变化的，有通过绕制在定子齿上的 附加探测线圈测量出包含转子位移信号的差动电压信号来辨识转子位移，也 有从悬浮控制绕组功率变换器的开关信号中提取转子位移信息的，还有利用 高频电压注入法在悬浮控制绕组中施加高频激励来获取转子位移信号的。现 有的无位移传感器技术的研究尚处于起步阶段，所提取的转子位移信号还未 能满足工业实际应用。
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永磁型无轴承电机研究趋势
（1）磁悬浮机理与数学模型研究
永磁型无轴承电机内的悬浮控制绕组、转矩控制绕组、永磁体磁场通过气隙 磁场互相耦合，电磁悬浮力和电磁转矩产生过程包含机、电、磁的各种暂态 与稳态运动过程，具有极强的非线性耦合特征，而现有的研究多采用磁共能 法、麦克斯韦张量法、有限元法等来独立建立转矩控制绕组与悬浮控制绕组 数学模型，难以反映两者间的动态非线性耦合。且不同转子结构的永磁型无 轴承电机，悬浮机理与磁链方程、电压电流方程、电磁悬浮力方程、电磁转 矩方程及其等效电路等数学模型也各有差异，因此要想获得高品质的转矩与 悬浮控制性能，必须深入研究其内部的能量转化关系，综合考虑铁心磁饱和 效应，定子齿槽效应、谐波分量以及转子偏心等诸多因素，在此基础上建立 更加准确的数学模型。 此外，现有的无轴承电机数学模型研究多集中在径向两自由度悬浮的无轴承 电机上，而对整个五自由度悬浮的电机系统数学模型研究较少。五自由度悬 浮的电机系统不仅存在内部的电磁耦合，而且各个悬浮自由度之间还存在着 机械动力耦合，因此从整个大系统的角度，结合转子动力学和现代控制理论 开展五自由度悬浮数学模型的研究是无轴承电机系统走上实用化的关键所在。
无轴承永磁电机及其控制
上海大学机自学院自动化系 仇志坚 qiuzhijian@shu.edu.cn
无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁同步电机研究现状
无轴承永磁同步电机结构原理
无轴承永磁同步电机建模方法
无轴承永磁同步电机解耦控制策略
无轴承永磁同步电机控制系统
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永磁型无轴承电机研究现状
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2Leabharlann Baidu
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21 20 19
转矩绕组 N1A N1B N1C
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悬浮绕组 N2A N2B N2C 9
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无轴承永磁电机结构
图中电机转子悬浮端装有辅助滚动轴承，以防止在没有施加径向悬浮力 电流时电机转子与定子相碰撞。辅助轴承与转子转轴之间存在间隙，当 悬浮控制绕组通入电流产生悬浮力，转子转轴便脱离该机械辅助轴承而 悬浮，辅助轴承也就停止不动。测量转子位移的位置传感器安装在电机 转子悬浮端一侧的电机端盖上，基准环紧配合于电机转轴上用于测量转 子径向位移量。转子转轴另一端由调心辅助轴承支撑，其与转子转轴之 间不存在间隙，其作用相当于一个支点，将电机系统的另外三自由度控 制住。用来测量转速的光码盘安装在调心辅助轴承一侧的电机端盖上。
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无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁同步电机研究现状
无轴承永磁同步电机结构原理
无轴承永磁同步电机建模方法
无轴承永磁同步电机解耦控制策略
无轴承永磁同步电机控制系统
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无轴承永磁电机结构（以表贴式为例）
三相对称分布绕组N1A，N1B和N1C与普通永磁同步电机相同，主要用于产生无 轴承永磁同步电机的电磁转矩，一般称之为转矩控制绕组（极对数p1=2，电角 频率w1）；另一套三相对称分布绕组N2A，N2B和N2C用来产生磁悬浮力，控制 电机转子径向悬浮，一般称之为悬浮控制绕组（极对数p2=1，电角频率w2）。
无轴承永磁同步电机解耦控制策略
无轴承永磁同步电机控制系统
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无轴承永磁电机数学建模（以表贴式为例）
传统电机中存在两种不同类型的电磁力：麦克斯韦力、洛 伦兹力 （1）麦克斯韦力 磁路中在不同磁导率的磁性介质（如空气和铁心）边界上 形成的磁张应力称之为麦克斯韦力，也称为磁阻力。主要 作用表现为径向磁拉力，该力的作用方向垂直于磁性物质 边界面。 设铁芯和气隙的磁导率为mFe和m0，交界面上的法向磁感应 强度和切向磁场强度是Bn和Hl，由于磁力线进出铁心时几 乎垂直于铁芯表面，则Hl≈0，电机中铁芯和气隙边界上单 位面积的麦克斯韦力表示为
但实际由于电机加工及装配等原因会造成转子偏心，特别是对无轴承电机 来说，其转轴与辅助机械轴承之间是有间隙的，实际悬浮运行时定、转子 位置必定不同心，使得电机中的气隙磁密分布不均匀，麦克斯韦合力就不 为零。其作用方向和转子偏心的方向一致，转子的偏心量越大，麦克斯韦 力也越大，因此为负刚度的磁拉力。 为了实现转子悬浮，必须利用位移的负反馈控制将麦克斯韦力的负刚度改 变为正刚度。通过主动调节悬浮控制绕组电流的幅值与方向，产生相应的 悬浮控制磁场改变原有磁场在气隙中的对称分布，依靠可控的麦克斯韦力 将转子拉回平衡位置。
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永磁型无轴承电机研究趋势
（3）无轴承电机新型结构的研究
传统的永磁型无轴承电机以表面贴装式永磁电机为主，其悬浮力和转矩输出 能力相互制约，永磁体厚度的选择必须折中考虑，太厚或太薄分别对悬浮力 和转矩输出都有不利的影响，从而导致电机承载力和刚度较小、弱磁能力差、 永磁体易退磁等诸多问题，严重制约了永磁型无轴承电机的应用和发展。 ①永磁体转子两端附加一套转子铁心，构成永磁-磁阻混合型转子结构，以此 提高转矩和悬浮力。 ②交替极（consequent-pole）永磁型无轴承电机从定转子磁路结构上实现 了电机转矩控制与悬浮控制的解耦，悬浮力的控制不再需要转矩控制绕组磁 场定向的位置角，从而在电机本体设计的角度上解决了控制的耦合性。 ③此外，传统的无轴承电机本身只能实现两自由度的悬浮，而对必须实现五 自由度稳定悬浮的整个电机控制系统来说，尚需要磁轴承或其他部件来控制 剩余三个自由度的悬浮。（轴向主动悬浮的三自由度无轴承电机） ④单绕组无轴承永磁电机：通过改变转矩绕组的连接方式和控制方法，一套 绕组即可实现电机的无轴承化。
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永磁型无轴承电机研究趋势
（2）无轴承电机本体优化设计的研究
目前永磁型无轴承电机本体研究主要是对现有永磁型无轴承电机定转子尺寸、 转子永磁体结构形式、定子槽形优化、两套绕组匝数和线径及其绕制方式的 设计研究。仍然是将转矩控制绕组设计与悬浮控制绕组设计割裂开来，借鉴 了普通电机转矩控制绕组的设计过程与经验公式来设计悬浮控制绕组，没有 对悬浮控制绕组匝数、线径与槽满率及悬浮功率，悬浮力与悬浮性能之间的 优化原则进行系统细致的分析研究。 因此也无法像普通电机转矩控制绕组设计那样从总体上把握与预测所设计出 的电机性能优劣，同时无轴承电机转矩控制绕组的设计目前也没有考虑在附 加了另一套绕组之后对转矩控制绕组电磁耦合的影响。特别是在高速、超高 速情况下，转子永磁体与两套绕组如何优化设计才能使电机电磁性能最优， 对现有永磁型无轴承电机的本体研究具有重大意义。