无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势

无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势

无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势　朱熀秋,等

无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势

朱熀秋,周　剑,魏劲夫,成秋良

(江苏大学电气信息工程学院,镇江　212013)

摘　要:无轴承永磁同步电机是采用了无轴承技术的高性能永磁同步电机,同时具备永磁同步电机的优良特性与磁悬浮轴承的优点。阐述了转矩绕组极对数为2,悬浮力绕组极对数为3步电机悬浮力产生原理,成果,展趋势,关键词:;控制策略;发展趋势

中图分类号:T文献标志码:A　　　　　　文章编号:100126848(2010)0220077206

PrincipleandResearchDevelopmentTrendofBearingless

PermanentMagnetSynchronousMotor

ZHUHuang2qiu,ZHOUJian,WEIJin2fu,CHENGQiu2liang(SchoolofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversity,

Zhenjiang212013,China)

Abstract:Abearinglesspermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)isahighperformancePMSM

adoptingbearinglesstechnology,andhastheexcellentcharacteristicsofPMSMandthefeaturesofmag2neticbearings.Inthepaper,thegenerationprincipleofradialsuspensionforcesofabearinglessPMSMwithPM=2andPB=3wereexpounded,researchresultsinmotorstructureaspectandcontrolstrategyaspectofbearinglessPMSMsweresummarized,whichgivinganimportantreferenceforthestructureim2provementandcontroloptimizationofbearlessPMSM.AnalyzedthedevelopmenttrendofbearinglessPMSM,showedthedirectiontothefutureresearchonbearinglessPMSMs.KeyWords:Bearinglessmotor;Permanentmagnetsynchronousmotor;Motorstructure;Controlstrat2egy;Developmenttrend

0　引　言

磁悬浮技术是指借助磁场力将被控对象(转子)置于非机械接触状态的技术。该技术主要理论基础是电磁场理论、电力电子技术及控制理论,依托现代电力电子器件及信号处理器件得以实现。目前,磁悬浮技术主要应用于磁悬浮列车(Magnet2icLevitationVehicle)、磁悬浮轴承(MagneticBear2

[1,2]

ing)与无轴承电机(BearinglessMotor)等领域。

超高速旋转情况下剧烈的机械磨损。并且无需润滑,无污染,适用于超洁净环境,而且寿命较长,对于维护困难的场合较为适用,国内外学者已对其做过全面而深入的研究,在能源交通、机械加工工业、航空航天及机器人等高速领域获得了实际应用。但在实际运用中,磁悬浮轴承系统存在以下问题:①输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率,必须要加大电机的轴向长度和径向长度。但是电机两端磁悬浮轴承本身占有一定的轴向长度,电机轴向尺寸较大而降低了转子的临界转速,这导致电机功率的提高主要依赖径向尺寸的增加,而转轴径向尺寸受材料机械强度的限制,同时径向尺寸增加势必使磁悬浮轴承体积增加,磁悬浮轴承支承的电机的体积就会增

大许多;为了高速时能避开转轴的临界转速(以免引起转轴的共振),只能尽量控制电机本身的轴向长度。②磁悬浮轴承需要一定数量的励磁线圈,

77

磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空中,实现转子和定子之间没有任何机械接触的新型高性能轴承

[2]

,对磁悬浮轴承的研究已有150多年的

历史,磁悬浮轴承无机械摩擦,能够避免在转子

收稿日期:2009207204修稿日期:2009210209

基金项目:国家863高技术基金项目(2007AA04Z213)

无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势

2010年第43卷第2期

高性能的功率放大器和造价不菲的位移传感器,由于成本和体积的原因,使得磁悬浮轴承支承的高速电机在大功率和微型应用场合受限制

[3]

力方向必沿x轴,又由于y轴左侧的转矩绕组气隙磁场与悬浮力绕组气隙磁场互相减弱而右侧互相增强,因此产生的麦克斯韦力合力指向x轴正半轴方向;右图的磁场分布沿y轴左右对称,上下不对称,麦克斯韦力合力方向必沿y轴,又由于x轴上侧的转矩绕组气隙磁场与悬浮力绕组气隙磁场互相增强而下侧互相减弱,因此产生的麦克斯韦力合力指向y轴正半轴方向

。

。

磁悬浮轴承结构和交流电机定子结构具有一定的相似性,如果把磁悬浮轴承中产生悬浮力的绕组和交流电机产生电磁转矩的绕组一起嵌入到电机定子槽中,使悬浮力绕组产生的磁场和电机转矩绕组产生的旋转磁场合成一个整体,采用磁场定向控制策略分别独立控制电机的旋转和转轴的稳定悬浮,这样就可以减小磁悬浮轴承支承高,1,3,4]

,继承了永磁同步电机功率密度大、功率因数高、效率高的优良性能,并具备了磁悬浮轴承无机械摩擦、无需润滑、无污染、寿命长、免维护的特点

。在仅有三个自由度主动控制的永磁薄片转子式无轴承承电机的应用(包括泵类应用)中,需要采用较强的励磁方式以建立电机气隙磁场,此时,无轴承永磁同步电机较其它类型的电机具有更高的使用和应用价值

[5,6]

[1,4]

。虽然无轴承永磁同步

图1　无轴承永磁同步电机麦克斯韦力与

洛仑兹力示意图　　　　　

电机转子永磁体的存在使得电机的电气气隙宽度增加,从而需要采用较大的悬浮力绕组电流,但是转矩绕组电流由于不再需要较大的励磁分量而

相应减小,因此,电机总的需求伏安(VA)数增加并不多

[7]

图1(b)中,根据磁路最短原则,气隙内的磁力线必垂直于定子内表面,载流定子绕组所受洛仑兹力方向必与定子内表面相切,图1(b)左图中,载流转矩绕组(大尺寸绕组)所受洛仑兹力合力指向x轴正半轴方向,而载流悬浮力绕组(小尺寸绕组)所受洛仑兹力合力指向x轴负半轴方向;右图中,载流转矩绕组所受洛仑兹力合力指向y轴正半轴方向,而载流悬浮力绕组所受洛仑兹力合力指向y轴负半轴方向。根据牛顿第三定律,转子将受到与上述洛仑兹力方向相反的径向力,而所有径向力的合力方向则取决于相应的两部分洛仑兹力的相对大小关系。

转子偏心而引入的径向力在x、y方向上是等同的,其关系为

F

cxF[9]

。因此,无轴承永磁同步电机具有更广

阔的应用前景。

1　无轴承永磁同步电机悬浮力产生

机理

本文以无轴承永磁同步电机转矩绕组极对数

PM=2,悬浮力绕组极对数PB=3的为研究对

象

[4,8]

。无轴承永磁同步电机径向力由三部分构

成:麦克斯韦力、洛仑兹力与由于转子偏心而引入的径向力。将无轴承永磁同步电机永磁体激励的磁场与转矩绕组激励的磁场进行合成并等效为如图1中大尺寸绕组的电流,悬浮力绕组激励的磁场也等效为如图1中小尺寸绕组的电流,此时,无轴承永磁同步电机内麦克斯韦力合力与产生径向力的洛仑兹力的产生情况如图1所示。

图1中,Ψ4为转矩绕组产生的磁链,Ψ6为悬浮力绕组产生的磁链。在图1(a)中,左图的磁场分布沿x轴上下对称,左右不对称,麦克斯韦力合 78

:

22

=[kd(IPM+i+kqiMd)Mq]　(1)

式中,Fcx与Fcy分别为转子偏心在x轴、y轴上的径向悬浮力分量,kd与kq均为常数,IPM为转子永磁体激励的磁场等效到转矩绕组中的电流,iMd为转矩绕组电流在其两相旋转坐标系下的直轴分量,

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无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势　朱熀秋,等

iMq为转矩绕组电流在其两相旋转坐标系下的交轴

径向悬浮力控制与转矩控制之间自然解耦,其产生的径向悬浮力要高出表贴式无轴承永磁同步电机几倍,而且可以同时得到较高的径向悬浮力与转矩

[19]

分量。

2　无轴承永磁同步电机研究现状

211　无轴承永磁同步电机结构研究

。文献[20]给出了这种电机定子的优化设

计方法,采用该方法可以降低电机产生转矩时径向悬浮力的减弱程度与方向误差。文献[20,21]则提出了采用交替极结构的薄片式无轴承电机。

文献[22],d轴上为凸q轴电感,悬浮力绕组d轴穿过电机气隙,此时转矩绕组对悬浮力控制的影响得到减弱,径向悬浮力的控制实现了线性化,而且通过施加正向励磁电流还可进一步提高电磁转矩与径向悬浮力。文献[23]则在内埋式无轴承永磁同步电机基础上,通过使转子磁极两端的永磁体向转子表面靠近来实现d轴电感大于q轴电感的效果。

文献[24]提出了一种外转子结构无轴承电机,该电机无定子铁芯,能够运行于电动机状态或发电机状态,应用于储能系统,可获得较高的效率,且免维护,寿命长。

文献[25]通过有限元方法(FEM)计算得知,采用短距绕组的无轴承永磁同步电机,其转子铁芯的有无对径向悬浮力的影响很小,因此可以采用无铁芯转子以减轻电机重量。

另外,针对无轴承永磁同步电机中的退磁效应,有研究表明,将磁阻结构引入永磁转子结构中,可以实现减弱其退磁效应和抑制转矩脉动的效果。

212　无轴承永磁同步电机控制策略研究

文献[4,8]在传统的四极电机转矩绕组的基础上,通过增加另一六极定子悬浮力绕组来产生不平衡的气隙磁场,从而产生控制转子径向位置的径向力。

对于表贴式无轴承永磁同步电机,比较困难的

[10]

证指出,,电机气隙磁通密度与径向力/电流系数之间是一对矛盾,需要进行折中考虑。同时,由于悬浮力绕组气隙磁链与转矩绕组q轴磁链的存在,采用太薄的永磁体会导致严重的退磁情况的出现

[12]

。因此,永磁

体的厚度也不可太薄。文献[13]通过磁路耦合有限元方法分析得知,为了使永磁转子能经受高速旋转时的巨大离心力而在转子表面增加磁性合金

外套时,其径向悬浮力会得到显著增大(但同时会出现较大的转矩脉动)。文献[14]研究了内埋式无轴承永磁同步电机,指出该种无轴承永磁同步电机能够产生较强的径向悬浮力,且控制相对较为容易。

文献[15]指出,盘式(Disk2Type)无轴承电机除了z轴方向上的旋转自由度需要主动控制外,其它五个自由度可以通过主动或被动的方式进行控制,而且这种电机具有更高的功率密度,更适用于太空应用中。文献[16]采用无轴承薄片电机(BearinglessSliceMotor)技术研制了应用于需要超洁净环境的半导体工业中的液体粘度计,由于其不存在轴承摩擦与封装摩擦,因此其转矩与液体粘度相对应,而转矩则可通过电机电流直接计算得到。文献[17]采用稀土永磁体为磁悬浮轴承(控制轴向自由度)提供偏置磁通,并将该磁悬浮轴承与其它驱动单元集成于电机定子上,构建了结构紧凑的无轴承薄片电机。

文献[18]提出的交替极无轴承永磁电机(Con2sequent2PoleBearinglessPermanentMagnetMotor),其转矩绕组极对数为8,而悬浮力绕组极对数为2,由于磁导率存在4次谐波,从而产生了与转矩绕组气隙磁场极对数相差1的悬浮力绕组气隙磁场。当采用8极或更高的极数时,这种无轴承永磁电机的

无轴承永磁同步电机的控制策略包括转速控制策略与径向悬浮力控制策略。其中,径向悬浮力控制策略是无轴承永磁同步电机研究的重点内容。

文献[4,8]将由磁链等效得到的实际绕组中的电流扩展至存在于跨越不同物质空间的虚拟绕组中的电流,这种虚拟绕组的分布状况仅由磁链的分布状况决定,而不受电机实际机械结构的限制,而且,针对不同情况下的分析,可以采用不同分布状况的载流等效虚拟绕组。借助这种磁链分布状况到载流虚拟绕组分布状况的等效过程,将无轴承电机内用于产生转矩的磁场与用于产生径向悬浮力的磁场之间的相互作用关系转化为载

79

无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势

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流虚拟绕组之间的相互作用关系。这种处理过程可以避开磁场的不易操作性,转而对载流虚拟绕组的分布关系进行分析,通过这种便于操作的结构分析,可以间接地得到磁场之间的相互作用效果。基于这种分析方法,可以建立起系统的、严格的关于无轴承电机径向悬浮力控制的理论基础,产生单一方向的稳定的径向悬浮力的一个重要必要条件为:悬浮力绕组与转矩绕组在电气接线上保持相序相同,悬浮力绕组电流频率与转矩绕组电流频率相等。

文献[26],表达式,:当电机转矩绕组励磁电流恒定时,径向力与悬浮力绕组电流之间是线性关系。文献[18]基于导体密度方法与磁导率波形理论建立无轴承永磁电机分析模型,能够对转子各种偏心情况(动态偏心与静态偏心)下及负载变动或负载不平衡情况下的径向力进行计算

[27]

解耦控制策略。

3　无轴承永磁同步电机研究发展趋势

随着无轴承电机原理、数学模型和实验样机的研究逐渐成熟,无轴承永磁同步电机的研究将围绕工程应用的要求,研制性能优良、可靠性低,价格便宜的无轴承电机。

(1)。,要对无。主要研究电机定转、绕组的绕制方式、两套导线匝数的比例问题等因素对无轴承电机参数、悬浮特性等工作效能的影响。另外,无轴承异步电机控制系统的设计必须考虑因磁饱和及温度变化等因素对控制系统性能的影响。磁饱和对无轴承异步电机控制性能的影响主要表现在:电机产生的径向力和悬浮控制绕组电流之间的线性关系受饱和因素的影响较大;电机的磁饱和还会引起转子电阻、定转子电感和互感等参数的变化,参数变化必然会导致控制器性能的降低。

(2)无速度和无位置传感器技术研究

目前无轴承电机普遍采用磁场定向控制方法,实现转速的闭环控制,因此需检测转子的位置和速度,获得转子的反馈速度和磁场定向所需磁通空间位置。传统的转子空间位置和速度都是采用机械式传感器来检测,因而有安装、连接、可靠性等问题。对于无轴承电机而言,使用机械式位置/速度传感器有着更大的局限性,因传感器本身在机械上难以实现高速、超高速,从而会严重限制无轴承电机固有的优良高速性能的发挥。

无轴承电机的无传感器技术还包括无位置传感器技术,而要实现无轴承电机转子的悬浮必需实时检测转子位置,而无轴承电机需要的位移传感器数量多,价格贵。目前对于无位移传感器的研究刚刚起步,日本学者已做了基于自感或互感变化的无传感器技术研究,但难于保证高精度和强鲁棒性,因此需要进一步的深入研究,这也是无轴承电机的一大研究方向。

(3)无轴承电机非线性解耦控制算法研究

无轴承电机是一个多变量、强耦合的非线性系统,具有复杂的电磁关系,其径向悬浮力和电磁转矩之间存在着复杂的非线性耦合,要实现转子稳定悬浮和在不同工况下电机无级调速运行,必须对电机进行非线性动态解耦控制。目前大都

。

文献[28]将圆柱式转子认为是凸极式转子的特例,推导出含有磁极弧宽与转子转角参数的四极凸极式无轴承电机(悬浮力绕组极数为2)电感矩阵。

文献[29]设计了气隙磁场定向矢量控制策略对高转矩加速度周期内的无轴承感应电机进行控制,并指出可以通过优化的磁场定向实现完全的径向力解耦控制。文献[30]指出,通过绕在定子齿上的探测线圈,可以对悬浮力绕组气隙磁链与转矩绕组气隙磁链进行检测,进而实现径向悬浮力的闭环控制。文献[31]通过转子磁链值与定子电流值估计气隙磁链,而文献[32]则利用定子电压与定子电流测量值估计气隙磁链。文献[33]指出,通过补偿转矩绕组电流幅值与相位,可以实现无轴承电机带负载运行时径向悬浮力的解耦控制。文献[34]采用通用磁场定向控制器实现气隙磁场定向控制,利用气隙磁链参考值与由气隙磁链观测器获得的实测值实现对该控制器中a值的动态切换以补偿各种情况下气隙磁链的相位偏移。文献[35]采用转子磁场定向控制实现了无轴承永磁同步电机径向悬浮力的解耦控制

[36]

。

文献[37]指出,对于内埋式无轴承永磁同步电机,由于气隙宽度减小,磁导率较高,从而导致电枢反应磁链的出现,转矩分量磁链增加伴随以d轴漏磁链的增加,从而在定子齿内可能出现磁饱和,而且由于转子偏心而产生的径向力也会因电枢反应而出现脉动,对此,该文提出了相应的 80

无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势

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采用磁场定向、逆系统理论、微分几何等方法来实现无轴承电机的解耦控制,对直接转矩控制在无轴承电机中的应用也进行了研究。目前,试验基本上是在空载情况下做的,因此,研究一种能满足负载变化,电机性能稳定、运算并不复杂的控制方法成为一个研究方法。

(4)无轴承电机高性能数字控制系统研究

高速数字信号处理器DSP为无轴承电机实现复杂智能控制算法提供了保证,目前国内大都数采用DSP实现了无轴承电机的基本功能,参数调试比较困难。如何研制DSP+硬件,,或Dspace,,。

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4　结　论

在阐述无轴承永磁同步电机悬浮力产生原理的基础上,总结了无轴承永磁同步电机结构方面与控制策略方面的研究成果,为其电机结构的改进与控制策略的优化提供了重要参考;分析了无轴承永磁同步电机研究的发展趋势,为其以后的研究工作指明了努力的方向。

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作者简介:朱熀秋(1964-),男,教授,博士生导师,从事磁悬浮轴承、无轴承电机等研究。

周　剑(1985-),男,电力电子与电力传动专业硕士研究生,

从事无轴承电机的研究。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/08z4.html