无轴承永磁薄片电机综述_李发宇

更多自由度实现被动悬浮。 无轴承永磁薄片电机是
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收稿日期::2014 -04 -23 基金项目:江苏省高校科研成果产业化推进工程项目( JHB2012 39) ;江苏高校优势学科建设工程资助项目( 苏政办发 2011-6 号)
无轴承电机研究的新领域,其永磁转子的轴向长度 远小于转子外径,成薄片状,是 5 自由度全悬浮电 机,可以利用悬浮力绕组实现 2 个径向自由度的主 动悬浮并根据磁阻最小原理实现 3 个自由度(1 个 轴向自由度和 2 个扭转自由度) 的被动悬浮[2] 。 这 种电机不仅具有无轴承电机的一系列优点,还具有 体积小、功率因数高、损耗小等特点,在化工、制药、 生物医学工程中具有广阔的研究前景。
通密度的不均匀分布,可以实现电机的径向悬浮。
如图 2(a)所示,定子中有规律的缠绕着 4 极的
悬浮力绕组和 2 极的转矩绕组。 转矩绕组通入电流
产生 2 极磁通(用粗线表示),悬浮力绕组中通入电
流产生 4 极磁通(用细线表示),气隙 1 处的磁通密
度增加而气隙 3 处的磁通密度减小,产生沿 x 轴正
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摒弃了解耦的思想,取消了旋转坐标变化,简单地通
过检测电机定子电压和电流,借助瞬时空间矢量理
论计算电机的磁链和转矩,并根据与给定值比较所
得差值,实现磁链和转矩的直接控制。 具有以下特
方向的径向悬浮力。 当悬浮力绕组中通入相反的电
流时,则产生 x 轴负方向的径向悬浮力。
如图 2( b) 所示,悬浮力绕组 4b 的电角度垂直
于 4a 产生 4 极的磁通,并且和转矩绕组产生的磁通
相互叠加,使气隙 1忆和 2忆中的磁通密度增加,而使气
隙 3忆和 4忆中的磁通密度减小,从而产生 y 轴方向上
学者则主要研究了基于无轴承永磁薄片电机血泵的
临床试验[4] 。
无轴承永磁薄片电机在国内的研究起步较晚,
目前有浙江大学、南京航空航天大学、江苏大学和沈
阳工业大学等高校对无轴承永磁薄片电机进行相关
研究。 其中南京航空航天大学研制出双绕组机构的
无轴承永磁薄片电机实现 5 自由度的稳定悬浮和旋
转,此外还提出了一种单绕组机构的无轴承永磁薄
Key words:bearingless permanent magnet slice motor( BPSM) ;control strategy;mathematic model;development status
0 引摇 言
磁悬浮轴承是利用磁场将转子悬浮于空间,实
现转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高
(a) 扭转自由度的被动悬浮
(b) 轴线方向上的被动悬浮
图 1摇 无轴承永磁薄片电机中被动悬浮力产生原理
1. 2 无轴承永磁薄片电机径向主动悬浮机理
径向稳定悬浮是实现无轴承永磁薄片电机稳定
运行的关键技术之一,其核心是如何消除电机的偏心
位移,使转子稳定运行在中心位置。 利用定子上不同
极对数的两套绕组产生的磁场相互叠加引起气隙磁
2. 2 无轴承永磁薄片电机控制系统的研究
2. 2. 1 矢量控制
李
无轴承永磁薄片电机在本质上是一种具有永磁
发 宇
薄片转子特殊结构的永磁同步电机,对于无轴承永 等
磁薄片电机电磁转矩的控制策略和传统永磁同步电
摇 无
机一样都可以采用矢量控制,把磁场矢量的方向作 轴
为坐标轴的基准方向,然后在此坐标系下去研究电
的径向悬浮力。 当悬浮力绕组中通入负方向上的电
流时,将产生沿 y 轴负方向上的径向悬浮力。
(a) x 轴方向径向悬浮力
(b) y 轴方向径向悬浮力
图 2摇 无轴承电机径向悬浮力产生的原理
2 无轴承永磁薄片电机的国内外研究现状
由于无轴承永磁薄片电机具有上述的优越性 能,引起国内外研究学者的广泛关注。 国外学者对 其进行了系统的研究,涵盖了无轴承永磁薄片电机 的多个方面。 瑞士联邦工学院的 Barletta 等人首先 提出了具有 5 自由度全悬浮功能的无轴承永磁薄片 电机的概念;Levitronix 公司研制出的小功率无轴承 永磁薄片电机应用于人工心脏辅助装置和真空气泡 发生器中;ETH 和 Sulzer 泵公司合作完成了 30 kW 无轴承密封泵的研制。 瑞士学者主要研究的无轴承 永磁薄片电机,功率可高达 4 kW[3] ;而韩国的 Se鄄 ungjong Kim 和日本的 Keisuke Abe 等人提出了一种 基于洛伦兹力的两对极无轴承永磁薄片电机。 美国
本文在总结近年来无轴承永磁薄片电机关键技 术方面的研究成果和研究现状的基础上,从电机本 体结构优化、数学模型建立、控制策略以及传感器技 术和可靠性等方面分析了无轴承永磁薄片电机的未 来研究趋势和发展方向,以期可以为无轴承永磁薄 片电机的发展和应用提供一定的借鉴。
1 无轴承永磁薄片电机的基本原理
1. 1 无轴承永磁薄片电机被动悬浮机理 由于永磁体的能量密度高( 特别是稀土材料的
对比。 在文献[7] 中首次提及到磁悬浮单极电机,
这种电机轴向的稳定悬浮是取决于定转子上沿相反
方向磁化的永磁体,只有转子的径向悬浮需要主动
控制,另外电机利用转子漏磁场和转矩绕组形成磁
场相互作用产生旋转。 文献[8] 中介绍了磁悬浮两
级电机的基本原理,这种电机中定转子上的悬浮力
和转矩力的轴向高度不同,沿轴向方向磁化的永磁
体作为转子提供轴向悬浮力,沿径向交替磁化的永
磁体放置在较低位置,悬浮力绕组和转矩绕组交替
缠绕在定子的一周。 文献[9] 中描述了转子极数和
定子槽数之比为分数的磁悬浮电机,其交替磁化的
圆弧形永磁体安放在背铁上并与相反的定子齿接
触。 文献[10] 中的无轴承永磁薄片电机,其悬浮力
和驱动转矩同时由定子绕组形成的磁场叠加产生。
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摇 摇 2015 年第 43 卷第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
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综摇 echnical
述 review
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采用 i*d = 0 的转子磁场定向矢量控制策略。 2. 2. 2 直接转矩控制
直接转矩控制和矢量控制不同,直接转矩控制 摇 63
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片电机,实现六齿一对极电机在任一断路情况下的
容错运行,同时还涉及了 3 对极结构的无轴承交替
极薄片电机[5] 。 综合国内外的研究现状主要集中
在以下几个方面。
2. 1 无轴承永磁薄片电机结构的研究
文献[6] 介绍了四种最具有研究前景的磁轴承
支承的高速薄片电机的拓扑结构结构,并对电机的
悬浮稳定性、存在的损耗以及加速性能等参数进行
点:
(1) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析电
机的数学模型,控制电机的磁链和转矩,省略掉了矢
量旋转变换等复杂的变换和计算。
(2) 直接转矩控制磁通估算所用的定子磁链,
关键词:无轴承永磁薄片电机;控制策略;数学模型;发展现状 中图分类号:TM351;TM359. 9摇 摇 文献标识码:A摇 摇 文章编号:1004-7018(2015)02-0062-04
Overview of Bearingless Permanent Magnet Slice Motor
LI Fa鄄yu,ZHU Huang鄄qiu,QI Ying,ZHU Su鄄ming ( Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)
摇 影响了磁悬浮轴承支承的高速电机在工业领域的应
无 轴
用范围。 为了解决磁轴承的缺点,将产生悬浮力的
承 永
悬浮力绕组嵌入在电机定子铁心之中,使得电机定
磁 子绕组不仅可以产生电磁转矩,同时可以产生自悬
薄
片 浮力,就形成了无轴承电机[1] 。
电 机
由传统的磁悬浮轴承支撑的电机到无轴承电
综 述
机,为了进一步减少系统的复杂性,必须尽可能的让
无轴承永磁薄片电机综述
李发宇,朱熀秋,秦摇 英,祝苏明
( 江苏大学,镇江 212013)
摘摇 要:无轴承永磁薄片电机由于永磁转子的特殊性,不仅具有无轴承电机的优点而且可以实现 3 个自由度(1 个轴向自由度和 2 个扭转自由度)的被动悬浮,使得控制系统更加简单。 在论述无轴承永磁薄片电机被动悬浮和径 向主动悬浮机理的基础上,对无轴承永磁薄片电机的电机结构、控制策略、传感器检测技术等方面的国内外研究现 状以及未来的发展趋势进行了归纳与总结。
承 永
机的电气方程和动力学方程,实现对电机转矩的动
磁 薄
态控制,以达到较高的运行性能。 矢量控制核心是 片
电
直接控制产生转矩的各空间矢量,不仅在稳态下,在 机
动态下也能严格地控制各矢量在空间复平面内的幅
综 述
值和相位,因此可以精确地控制转矩。 在永磁薄片
电机中,由于转子磁链幅值的大小恒定不变,故一般
性能轴承,由于其具有无摩擦、无磨损、无需润滑以
及高速度、高精度等一系列优点,在机械加工、能源
来自百度文库
储存等领域得到广泛应用。
将高速旋转电机中的传统机械轴承,运用磁轴
承替代便构成了磁悬浮轴承支承的高速电机,但是
李 磁悬浮轴承支承的高速电机占据轴向的体积大,导
发 致电机轴向长度大,并需要一定数量的励磁线圈和
宇
等 逆变装置,同时控制系统复杂、成本高等一系列因素
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪
网络出版时间：2015-03-03 16:14
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使用) 使得 被 动 磁 轴 承 具 有 集 成 度 高 的 优 点, 为 了 获得良好的 被 动 悬 浮 效 果, 电 机 转 子 采 用 永 磁 体。 实验证明,当永磁转子的外径尺寸与厚度的比值较 大(比值在 2. 5 ~ 4 之间) 时,根据磁阻最小原理,可 以实现 1 个轴向自由度和 2 个扭转自由度的被动控 制,其原理示意图如图 1 所示。
Abstract:Because of the special characteristics of the slice permanent magnet rotor, a bearingless permanent magnet slice motor ( BPSM) not only has the merits of bearingless motors but also realizes the three freedom ( axial displacement and tilting) stabilized passively by reluctance force, which simplify the control system. The principle of the passive suspension and the radical active suspension of the BPSM were introduced firstly. Then the research status and the future development were discussed and concluded including the motor topology, control strategy, sensors detection technology and so on.