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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 无轴承永磁电机及其控制 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。 无轴承永磁电机原理（以表贴式为例） 图(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。 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，以形成所需的悬浮力。 无轴承永磁电机及其控制 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 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。 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。 无轴承永磁电机数学建模（以表贴式为例） （2）洛伦兹力 洛伦兹力是电机内气隙旋转磁场与载流导体中电流相互作用而成的，因此也被称之为安培力，其主要作用是产生电机的电磁转矩。 由于无轴承永磁同步电机定子上有两套绕组，悬浮控制绕组和转矩控制绕组的相互作用不仅会产生麦克斯韦力，而且还会产生洛伦兹力。该力在悬浮控制中所起的作用究竟如何，必须加以分析。 无轴承永磁电机数学建模（以表贴式为例） 为简化推导过程，得到实际可控的数学模型，做如下假设： （1）三相定子绕组在空间对称分布，各相电流所产生的磁势在气隙空间是正弦分布的，忽略其高次谐波分量； （2）转矩控制绕组A相绕组轴线与悬浮控制绕组A相绕组轴线重合； （3）忽略短距元件组以及分布绕组对气隙磁势的影响； （4）忽略齿槽漏感，端部漏感及磁饱和效应； （5）忽略铁心磁阻和涡流损耗，整个磁路系统只考虑工作气隙的磁阻； （6）不考虑温度对电机参数的影响。 另外，为便于分析磁势的空间分布，将定子内圆沿圆周展开。在定子表面取直角坐标，纵坐标轴与A相绕组轴线重合，并以磁力线从定子穿过气隙到转子所耗磁势为正方向，反之为负；定子内圆圆周为横坐标轴，且逆时针旋转方向为正方向。 无轴承永磁电机数学建模（以表贴式为例） 设无轴承电机中总气隙磁密为B，则作用在单位转子表面上的麦克斯韦力为 无轴承永磁电机数学建模（以表贴式为例） 由电机中p1对极转矩控制绕组电流及转子永磁体磁场共同建立的合成气隙磁动势基波为