具有被动式磁力轴承的无刷直流电机研究

核心提示：　　由于无机械磨损和噪声，非接触式磁力轴承广泛用于高速电机以及如人工心脏旋转血泵等对轴基金项目：国家自然科学基金项目（59977014）。　　承免维护要求的特殊应用领域。有多种非接触式旋转电机，其中最

　　由于无机械磨损和噪声，非接触式磁力轴承广泛用于高速电机以及如人工心脏旋转血泵等对轴基金项目：国家自然科学基金项目（59977014）。

　　承免维护要求的特殊应用领域。有多种非接触式旋转电机，其中最具吸引力的是无轴承电机结构，其转子的旋转力矩和悬浮力皆由电机的定转子本身产生，而不需要任何传统的还是磁力的轴承。然而不幸的是，结构和控制技术的复杂性限制了无轴承电机的实际应用。具有主动式磁力轴承的电机虽然可以实现电磁转矩与悬浮力的解耦控制，其控制技术比无轴承电机相对简单一些，但仍需要转子位置的多个自由度的动态检测和悬浮力的实时控制，其控制技术仍然比较复杂，而且主动式磁力轴承的体积较大。如果能够实现磁悬浮而又不需要复杂的控制技术，将对磁悬浮技术在电机中的实际应用具有重大的推动作用。

　　本文提出了一种新型采用被动式磁力轴承的无刷直流电机，转子可以实现磁悬浮而不需要电机气隙的动态检测和悬浮力的实时控制，转矩控制也不需要转子位置检测，而采用无位置传感器的无刷直流电机调速控制系统。理论分析与样机。电机采用径向充磁瓦片状永磁体组成的转子，套在非导磁材料的转轴上。转子两端的被动式磁力轴承由轴向充磁的两组永磁环构成，如图所示，两组永磁环的充磁方向相反，相对永磁转子呈对称结构，以利于电机轴向力的平衡。

　　电机转子的悬浮是依靠被动式磁力轴承产生的径向磁悬浮力实现的。电机转子在径向外力作用下将产生沿外力方向的位移，使磁力轴承两永磁环之间沿该方向的气隙减小而沿相反方向上的气隙增大，两永磁环将产生恢复到均匀气隙的磁力，而且两永磁环之间的气隙偏心越大所产生的磁力越大。因此，只要设计的合理，在所允许的转子偏心范围内被动式磁力轴承能产生足够大的悬浮力，就不会使两磁环之间以及电机定转子之间发生接触。由于被动式磁力轴承本身所具有的这种悬浮力自动调节作用，故不需要对悬浮力进行控制。电机的转矩控制则可通过改变无刷直流电机电枢电流的大小和频率来实现。由于采用了无位置传感器的控制策略，故使电机的结构十分简单。

　　3被动式磁力轴承的设计3.1被动式磁力轴承的径向悬浮力由以上分析可知，被动式磁力轴承是新型磁悬浮无刷直流电机的核心部件，该部件的合理设计是保证电机正常工作的基础。被动式磁力轴承的设计必须建立在径向和轴向磁力的精确计算基础之上。

　　中所示被动式磁力轴承由两组轴向充磁的永磁环组成，其径向和轴向力的分析可用所示的一组永磁环来说明。设两永磁环的厚度H和宽度L皆相同，外环的外径为￡，内外环之间的平均间隙为，内外环的轴向和径向位移分别为Az和A；y.通过三维磁场有限元分析，可求出被动式磁力轴承内的磁场分布，采用虚位移法可计算出沿圆周径向力的分布和总的合成径向磁悬浮力。为采用三维磁场分析计算出的在不同平均气隙go下永磁环径向磁悬浮力与内环径向偏移量Ay的关系曲线，平均气隙办是指没有径向偏心（Ay=0）时内外环之间的气隙。计算模型采用的磁环尺寸为：=//2=5mm，L=10mm，1）图平均气隙及径向偏移量之间的关系曲线由可以看出：①被动式磁力轴承的径向磁悬浮力与内环径向偏移量成正比，偏移量越大径向磁悬浮力越大，在无偏心时（均匀气隙下）径向力为零。②径向磁悬浮力与内外永磁环之间的平均气隙有关，同一内环偏心量下平均气隙越小径向磁悬浮力越大。

　　3.2被动式磁力轴承的轴向力采用计算径向力的三维磁场分析模型和磁力的计算方法，可同样计算被动式磁力轴承的轴向力。显然，内环无轴向位移时（Az=0），两永磁环不会产生轴向力。为通过磁场分析计算出的相对于不同内环轴向位移时被动式磁力轴承的轴向力，磁环尺寸与计算径向力时相同，平均气隙g=1mm.为内环轴向位移Az=4mm时被动式磁力轴承的磁场空间分布。

　　由和可以看出：①被动式磁力轴承的轴向力相对于内环的正负轴向位移（+Az和-Az）具有对称的关系；②轴向力存在一个最大值，在本算例情况下最大轴向力约在内环轴向位移Az= 0.6mm和Az=-.6mm处；③电磁力与磁场强度有关，磁通密度大的地方电磁力也大。由所示磁场分布可知，轴向力主要产生在内外环轴向交界面的气隙部分。

　　被动式磁力轴承磁场的空间分布（Az=2mm）3.3被动式磁力轴承的稳定性分析由一对永磁环构成的被动式磁力轴承不可能获得稳定的平衡，而至少有一个自由度必须施加另外的约束才行。

　　由以上对由两个永磁环构成的磁力轴承径向力的分析计算可知，只要径向扰动力不超过在允许径向偏移范围内的径向磁悬浮力，该被动式磁力轴承在径向上是稳定的。而所示的轴向力计算结果表明，由两个永磁环构成的单个磁力轴承在轴向上是不稳定的，然而由两个对称的被动式磁力轴承组合在一起，则有可能构成一个轴向稳定的结构。

　　首先来看由两个磁力轴承组成的具有对称结构的一组被动式磁力轴承，假定永磁内外环之间无轴向位移，如（a）所示。此时，该被动式磁力轴承只在理论上处于稳定状态。假定受到一个自左向右轴向力的扰动，则与轴刚性联接的永磁内环将向右移动，产生一个（b）所示的轴向位移Az，由于两内环的轴向位移相对于两外环永磁体的磁化方向不同，由可知，两个永磁内环皆受到一个自左向右的轴向力，合成轴向力如（b）所示的其结果是使两内环继续向右偏移。因此，这是一种轴向不稳定的被动式磁力轴承结构。

　　将所示结构中的两内永磁环分别向相反方向移动一个已知的偏移量Az，该偏移量要大于所示最大轴向力对应的偏移量，即为（a）所示的结构。由（a）可知，对于每一个磁力轴承来说，内环的轴向位移皆与外环永磁体的磁化方向相同，所产生的轴向力都是沿永磁体的磁化方向，而由于安装在同一轴上的两磁力轴承的磁化方向相反，故两内环实际受力方向相反。同时由于两内环的轴向位移量相等，因而产生的轴向力相等而被互相抵消，从而磁力轴承可获得轴向上的静态稳定性。

　　（a）初始位置厉这一画Cb）受轴向力扰动后的位置当该磁力轴承承受轴向外力扰动时，假如受到一个自左向右的扰动力，轴承内环将产生一个自左向右的位移Az，如（b）所示。相对于本身的外环而言，两内环位移分别为Az+Az和Az-Az，即左侧磁力轴承内外环的轴向偏移量大于右侧磁力轴承内外环的轴向偏移量，由可知，左侧磁力轴承产生的轴向力小于右侧磁力轴承产生的轴向力，两磁力轴承轴向力合成为（b）所示自右向左的Fz，其结果是使磁力轴承的内环向左移动恢复到受扰动之前的位置。因此，该磁力轴承结构具有轴向的动态稳定性。

　　同理可证，所示的被动式磁力轴承结构同样具有径向和轴向的稳定性。

　　瞧另一种轴向稳定的被动式磁力轴承结构Fig.8Anotheraxiallystablestructure 4无刷直流电机的设计4.1无刷直流电机的径向力对于一般无刷直流电机的设计，主要任务是满足负载特性对电机电磁转矩的要求。然而，对于采用磁力轴承的无刷直流电机来说，还需要考虑由于定转子间的相互作用产生的径向和轴向力对磁力轴承的影响。

　　采用二维磁场分析模型可计算无刷直流电机的由于转子偏心所产生的径向力。所示为4极外贴式永磁转子沿水平方向自右向左有一个位移时电机内的磁场分布，左边气隙的磁力线比右气隙的磁力线密，说明左气隙内的磁通密度比右气隙大。

　　径向力与磁通密度平方成正比，故转子将承受自右向左的单边磁拉力。

　　由磁场分析计算出的合成径向力与转子径向偏移及平均气隙的关系曲线如0所示，平均气隙仍定义为无转子径向偏移时的均气隙。可以看出：①永磁转子由于偏心产生的径向力与转子的偏心量成正比；②在同样偏心量下，平均气隙越大所产生的径向力越小；③由于转子偏心产生的径向力是一种单边磁拉力，与被动式磁力轴承产生的径向磁悬浮力的方向相反，故对转子的磁悬浮是不利的。

　　0径向力与转子偏心及平均气的关系曲线4.2无刷直流电机的轴向力可以看出：①只有在转子轴向位移较小时，计算具有定转子轴向位移无刷直流电机的轴朱规秋，等（Zhu a/）。永磁偏置径向-轴向磁悬浮轴承工作原理和参数设计（The王宝国，王凤翔（WangBaoguo，WangFengxiang）磁悬浮无轴承电机悬浮力绕组励磁及控制方式分析（Excitationandcontrolanalysis王凤翔（1938-），男，教授，博士生导师，研究方向为特种电机及其控制、电力电子与电力传动；王继强（1977-），男，博士研究生，研究方向为特种电机及其控制：孔志国（1981-），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。