无轴承同步磁阻电机原理及关键技术

图 1 与励磁电流磁通作用产生径向力
图 2 与电枢电流磁通作用产生径向力
无轴承电机径向力的产生是励磁绕组 、电枢绕 组和径向力绕组三者共同产生的磁场相互作用的结 果 。图 1表明电机在空载情况下 , 径向力绕组产生 的磁场打破励磁绕组产生的磁场平衡 , 产生径向力 的情况 。当绕组 Nx 、Ny 中没有电流时 , 4 极励磁
收稿日期 : 2006203207 江苏大学高级人才启动基金项目
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承同步磁阻电机的出现是高速电机设计理念的革命 性变化 , 是电气传动领域内一项重大突破 。同磁轴 承支承的电机相比 , 无轴承同步磁阻电机有着明显 的优点 : 电机轴向长度得到减小 , 临界转速得到提 高 , 电机结构也得到简化 。具有凸极转子的无轴承 同步磁阻电机因其转子上省略了永磁体和励磁绕 组 , 在高速应用场所有着独特的优势 。
微电机 2006年 第 39卷 第 9期 (总第 156期 )
中图分类号 : TM352 文献标识码 : A 文章编号 : 100126848 (2006) 0920078204
无轴承同步磁阻电机原理及关键技术
朱 秋 郝晓红 刁小燕 张汉年 张值保
(江苏大学 电气信息工程学院 , 镇江 212013)
(6)
式中 , αi 、 βi 分别为静止坐标系下悬浮力绕组电
流 。式 (6)可写为另一种形式为 :
Fx
(M ′0 +M ′1 ) id (M ′0 - M ′1 ) iq
ix
Fy = (M ′0 - M ′1 ) iq - (M ′0 +M ′1 ) id iy
(7)
从径向悬浮力方程 ( 7 )可看出 , 无轴承同步磁
流 , 便会产生一个沿水平方向的力 , 使转子向左或
向右移动 。
2 径向悬浮力数学模型
无轴承同步磁阻电机稳定悬浮运行 , 需对转子 悬浮力进行实时控制 , 因此悬浮力的准确控制是无 轴承同步磁阻电机及其控制系统设计的基础 。交流 异步电机等具有均匀气隙 , 但对具有凸极转子的同 步磁阻电机 , 电机转子外径与定子间的气隙长度和 转子内径与定子间的气隙长度不等 , 故电机气隙并 不均匀 。在径向力悬浮力实际计算中 , 假定无轴承 同步磁阻电机转子偏心位移远小于电机转子外径处 气隙长度 [ 5 ] , 并忽略转子内径与定子间气隙长度 的变化 , 只考虑转子凸极区域的有效部分 , 故其径 向力数学方程与其它无轴承电机也有所不同 。
0 引 言
20世纪 90年代以来 , 同步磁阻电机受到众多 国内外学者的关注 。同步磁阻电机转子不需要励 磁 , 而是利用转子上直轴和交轴气隙磁阻不等而产 生同步磁阻转矩 。因此同其它交流电机相比 , 同步 磁阻电机具有结构简单 , 制造容易 、成本低廉 、运 行可靠等诸多优点 。特别是现代电力电子技术的迅 速发展 , 现代控制理论和微处理器技术的广泛运 用 , 克服了同步磁阻电机同步控制的困难 , 为其可 控变频调速运行提供了良好的条件 。近年来 , 在高 速超高速数控机床 、离心机 、涡轮分子泵等众多场 所迫切需要高速或超高速的电力传动 , 传统的机械 轴承支承的同步磁阻电机严重制约着电机向更高转 速和更高功率方向发展 。磁轴承的出现 , 在很大程 度上 , 克服了机械轴承的许多不足 , 但磁轴承的缺 陷依然存在 , 如结构复杂 、成本高等 。因此 , 既具 备同步磁阻电机优点 , 又兼备磁轴承性能为一体的 新型电机 ———无轴承同步磁阻电机应运而生 。无轴
图 3 无轴承同步磁阻电机控制系统示意图
在转矩控制系统中 , 励磁电流 i3d 、转速 ω3 为 给定值 。根据电机转速检测值和转速给定值的误 差 , 经过 P I调节器后 , 其输出作为转矩给定 , 改 变 q轴电流分量 , 就可控制电机旋转速度 。从图 3 中可知 , 无轴承同步磁阻电机转矩控制系统的数学 模型类似于一般的同步磁阻电机控制系统 , 可采用 常用的同步磁阻电机矢量控制技术 。
摘 要 : 概述了无轴承同步磁阻电机的特点和发展现状 , 介绍了它的工作原理 , 推导了径向悬浮 力数学方程 , 讨论了控制系统的基本结构 , 阐述了研究过程中的关键技术问题 。 关键词 : 无轴承电机 ; 同步磁阻电机 ; 原理 ; 模型 ; 控制
Pr inc iple and Key Technolog ies of Bear ingles Synchronous Reluctance M otors ZHU Huang2qiu, HAO Xiao2hong, D IAO Xiao2yan, ZHANG Han2nian, ZHANG Zhi2bao
阻电机径向悬浮力的产生是电动机转矩绕组电流和
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悬浮力控制绕组电流相互作用的结果 , 当电机转矩 绕组电流幅值不变时 , 悬浮力的大小同悬浮力绕组 中的电流成正比 。
3 无轴承同步磁阻电机控制系统
无轴承同步磁阻电机控制系统由转矩控制系统 和径向力位置控制系统两部分组成 。图 3为两相无 轴承同步磁阻电机控制系统结构框图 。显然电机定 子绕组相数也可为三相或其他多相对称绕组 。运用 交流电机坐标变化理论 , 一定可将定子绕组变换为 与旋转磁场同步的两相电机 。图 3所示的控制系统 示意图说明如下 。
L 4r =
L4d 0
0 L4q
(2)
L 2r =
L2 0
0 L2
(3)
M 42r =
(M
1 0
+M
1 1
)
x
(M
1 0
-
M
1 1
)
y
-
(M
1 0
+M
1 1
)
y
(M
1 0
-
M
1 1
)
x
(4)
式中 , L4d是电机绕组 d 轴电感 ; L4q是电机绕组 q
轴电感 ;

L2 是径向悬浮力绕组自感 ;
无轴承同步磁阻电机原理及关键技术 朱 秋 郝晓红 刁小燕 张汉年 张值保
机也做了相关理论和仿真研究 [ 11 ] 。到目前为止 , 国内外对无轴承同步磁阻电机的研究仍停留在理论 和样机的实验阶段 , 距实用化还有一定的距离 , 但 其令人鼓舞的应用前景促使无轴承同步磁阻电机的 研究日趋系统和完善 。
1 径向悬浮力产生原理
无轴承同步磁阻电机的定子槽中嵌有不同极对 数的定子转矩绕组和径向悬浮力绕组 。其基本工作 原理可以用等效的直流电机模型来表示 。现以附有 2极径向悬浮力绕组的 4极同步磁阻电机为例阐述 其工作原理。4极定子等效励磁绕组 Nd , 电枢等效 绕组 Nq , 2极径向力绕组 Nx 、Ny , 如图 1和图 2所 示。当 4极励磁绕组 Nd 通电后 , 产生对称的励磁磁 通 , 它和电枢绕组 Nq 相互作用 , 产生电磁转矩 。
偏移 。同理 , 在绕组 Ny中通以不同方向的电流 , 会产生一个向上或向下方向的径向力 。
图 2表明电机在负载情况下 , 径向力绕组中电
流产生的磁通和等效电枢绕组 Nq所产生的磁通相
互作用 , 产生径向力的情况 。如图 2所示 , 电枢绕
组
Nq产生的磁通
Ψ q
,
当径向力绕组
Nx通以图
2所
示的电流时 ,
产生的磁通
Ψ x
,
打破了由电枢绕组
Nq产生的磁通
Ψ q
,
使磁极
1和
2,
2和 3间的磁通
密度增加 , 磁极 3和 4, 4和 1间的磁通密度减少 ,
不平衡的气隙磁通导致产生的径向力 Fy使转子向 上移动 ; 如果绕组 Nx 中通以反向电流 , 则不平衡 的气隙磁通导致产生的径向力使转子向下移动 。用
同样的方法分析可知 , 当绕组中通以不同方向的电
磁通
Ψ d
是平衡的
,
磁极
1、 2、 3、 4 处气隙磁通
处处相等 , 没有径向力产生 。当绕组 Nx 中流过正
向电流后 ,
产生两极磁通
Ψ x
,
如图
1 所示 。这样
磁极 1处的气隙磁通密度增加 , 而磁极 3处的磁通
密度减少 , 不平衡的气隙磁通导致产生径向力 Fx , 使转子向右偏移 ; 如果绕组 Nx 中通以反向电流 , 则不平衡的气隙磁通导致产生的径向力使转子向左
9W m
Fx
9x =
(5)
Fy
9W y
9y
由式 (5)可得无轴承同步磁阻电机径向悬浮力方程
的表达式为 [ 7 ] :
Fx
(M ′0 +M ′1 ) id (M ′0 - M ′1 ) iq
Fy = (M ′0 - M ′1 ) iq - (M ′0 +M ′1 ) id
× cos2θ sin2θ αi - sin2θ cos2θ βi
将磁轴承线圈和电机定子绕组叠压在一起 , 构 成能够产生径向悬浮力的无轴承电机 , 早在 1975 年由德国的 P1K1Hermann提出 [ 1 ] , 1988 年 , 瑞士 R1Bo sch提出了一种能同时产生径向悬浮力的圆盘 电机 , 首 次使 用 了“无 轴 承 电 机 (B earingless mo2 tor) ”的概念 [ 2 ] 。自从瑞士 J1B ichsel实现无轴承同 步电机的稳定工作后 [ 3 ] , 无轴承电机的研究引起 了重视 。目前瑞士 、日本 、美国 、德国 、奥地利等 国家都大力支持开展这项研究工作 [ 4 ] 。对无轴承 同步磁阻电机的研究 , 1990 年 , 日本东京科技大 学的 A. Chiba等人首次实现同步磁阻电机的无轴 承技术 [ 528 ] 。此后 , 德国开姆尼斯工业大学的 L. H e rte l等人 也 开 始 对 无 轴 承 同 步 磁 阻 电 机 进 行 研 究 [ 9210 ] 。自 2000 年 , 国内也大力开展了无轴承电 机的研究和应用工作 [ 11213 ] , 对无轴承同步磁阻电