高速无轴承永磁薄片电机

1 无轴承永磁薄片电机介绍

无轴承永磁薄片电机是一种新颖的五自由度全悬浮功能的特种电机。五自由度分别指两个径向自由度、一个轴向自由度以及两个扭转方向自由度。五自由度全悬浮指的是这五个自由度都得到了限制，只释放了一个绕轴向旋转的自由度。

无轴承永磁薄片电机利用电机本身的驱动磁场作为偏置磁场，外加一个控制磁场实现径向悬浮力控制。以1 对极无轴承永磁薄片电机为例，1对极的电机驱动磁场叠加上2 对极的控制磁场后，磁场的对称分布被打破，在图1(a)中磁场叠加后，左侧磁场减弱，右侧磁场增强，产生了向右的径向力，而在图1(b)中磁场叠加后，上部磁场增强，下部磁场减弱，产生了向上的径向力。

轴向和扭转方向上的被动悬浮利用了薄片电机转子的直径远小于轴向长度的结构特点和磁阻力总是有使磁路磁阻最小的趋势的性质。如图2(a)所示，当转子发生轴向偏移时，磁拉力总会将转子拉向磁阻最小的方向;而发生扭转时，同理也会产生相应的磁拉力矩迫使转子回到平衡位置，如图2(b)所示。

除具备无轴承电机的无摩损、无机械噪音、无需润滑、免维护、寿命长等优点外，无轴承永磁薄片电机还有自己独特的特点，主要体现在以下几个方面：

1)轴向长度短，转子成陀罗状，利于高速运行;

2)电机结构简单、紧凑、可靠性高、成本低;

3)定、转子完全隔离，可实现较好的密封性能;

4)悬浮控制的偏置磁场由永磁体提供，无需额外励磁电流，悬浮功耗比小、效率高。

无轴承永磁薄片电机的这些优势在生、化、医、机电等领域的密封传送和生产系统中具有独特的应用价值。目前瑞士、德国、日本、美国、新加坡均在大力扶植这项高新技术的研究[2~6]，已有部分成果进入商品测试阶段。韩国的Seungjong Kim和日本的Keisuke Abe 等人提出了一种洛仑兹力型的2对极无轴承薄片电机，最高转速达12 600 r/min。

国内已有南京航空航天大学、西安交通大学、上海交通大学、沈阳工业大学、江苏大学等数家单位开展了这项研究[7~13]。南京航空航天大学高速电机实验室提出了一种集中式绕组的2 对极无轴承永磁薄片电机，最高转速达到4 000 r/min。目前国内电机的转速有待于进一步的提高。

本文推导了1 对极无轴承永磁薄片电机径向悬浮力的精确数学模型，为实现高速运行，简化了控制策略，优化了电机结构，并搭建了一套原理样机的试验平台。试验表明样机可以实现高速运行时的稳定悬浮。

2 理论基础

在文献[14~15]中，证明了当转矩绕组和磁悬浮绕组的极对数p1、p2 相差1，两个磁场的旋转方向一致并且两套绕组中的电流的频率一致时，电机可以产生可控的径向悬浮力。以转矩绕组1 对极、悬浮绕组2 对极、整数匝、不跨绕的表贴式无轴承永磁薄片电机为例，推导电机的径向悬浮力与转矩的数学模型。推导中作如下假设：

1)忽略漏磁和磁路饱和;

2)取电机单位轴向长度进行分析;

3)设永磁体的相对磁导率为1;

4)定子各齿沿圆周等距分布。

采用两套三相绕组，分别用作悬浮和旋转，绕组配置为悬浮绕组2 对极，各齿上的相数分配为(1：Al，3：Bl，5：Cl，4：Al，6：Bl，2：Cl);转矩绕组1 对极，各齿上的相数分配为(1：Ar，2：Br，3：Ct，4：-At，5：-Bt，6：-Ct)。将集中式绕组表贴式电机的气隙展开，如图3 所示。

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