无轴承薄片离心泵的研究和实现

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1、无轴承薄片离心泵的研究和实现3、结构简单。无轴承永磁薄片电机与其他的悬浮系统相比不存在轴向磁轴承，只有一个径向悬浮单元。从结构上看仅比普通电机多一套绕组，定转子与普通电机无太大差别。4、成本较低。无轴承永磁薄片电机仅有一个径向主动控制磁悬浮单元，并且利用了电机自身的磁场来实现悬浮，相比于一般的磁悬浮转子系统，部件少的多，成本也低得多。5、可靠性较高。无轴承永磁薄片电机自身的结构比较简单，这直接导致了其可靠性较高。同时如果利用容错控制方式，则可以进一步提高系统的可靠性。6、集成度高。无轴承薄片电机利用了电机自身的磁场来实现悬浮，集成了旋转与悬

2、浮两套功能，而自身体积无明显的增大。1.2无轴承永磁薄片电机基本原理1.2.1被动悬浮原理无轴承永磁薄片电机的电机示意图如图1.2（a）所示。该电机是在利用无轴承技术[12~13]实现转子径向悬浮的基础上，依靠磁阻力实现被动悬浮。定子 输入转子泵室叶轮输出口悬浮绕组定子绕组转子定子绕组 转矩绕组（a）电机本体示意图（b）密封泵示意图图1.2无轴承永磁薄片电机示意图无轴承永磁薄片电机轴向长度比径向长度要小的多，且磁阻力总是使磁路磁阻最小，这就决定了电机转子在其轴向和扭转方向上受磁阻力约束。图1.3为无轴承永磁薄片电机的轴向剖面图。FFrFrF

3、FzzFFFrFzFzFrF定子转子转子定子（a）轴向移动（b）扭转图1.3无轴承永磁薄片电机的轴向剖面图图1.3（a）表示当转子发生轴向偏移时，磁阻力F总是作用于转子使其向磁阻最小的位置2 南京航空航天大学硕士学位论文运动。转子轴向偏离中心位置一定范围内，回复磁拉力F的大小会随着偏移量的变大而变大，z并且成线性增长[14]。同理，图1.3（b）表示当转子发生扭转时，磁阻力会作用于转子，使之回到平衡位置。图中箭头表示转子在轴向和扭转方向发生偏移时磁阻力的作用方向。由此可知无轴承永磁薄片电机转子在轴向和扭转方向这三个自由度上受磁阻力约束，无

4、需对其进行控制即可被动地悬浮于平衡位置，因此称为被动悬浮。1.2主动悬浮原理无轴承永磁薄片电机的径向悬浮系统采用的是无轴承磁悬浮技术，这是一种主动磁悬浮技术。所谓主动磁悬浮是指由传感器检测出被控物体（转子）偏移参考点（平衡位置）的位移量，控制器接收到偏移信号，并通过一定的控制算法得出控制信号，通过功率放大器转换成控制电流，从而产生合适的磁拉力使转子维持在平衡位置，达到被控物体（转子）悬浮的目的。无轴承磁悬浮技术以电机本身的驱动磁场为基础，外加一个控制磁场打破原有磁场的平衡分布，从而产生可控的麦克斯韦力来达到转子悬浮的目的。如图1.4所示为无

5、轴承永磁薄片电机径向悬浮力产生示意图。FyFx（a）x方向悬浮力的产生（b）y方向悬浮力的产生图1.4无轴承永磁薄片电机径向悬浮力产生示意图悬浮绕组产生的悬浮控制磁场，打破了转矩控制绕组产生的旋转磁场的平衡，使得电机气隙中一个区域的磁场增强，而在其空间对称区域的磁场减弱，从而产生的麦克斯韦合力将指向磁场增强的一方。图1.4说明了电机中转矩绕组（两对极）的磁场与悬浮绕组（一对极）的磁场相互作用产生径向力的过程。图中虚线表示转矩控制绕组产生的磁场，实线表示悬浮控制绕组产生的磁场。图1.4（a）中两个磁场相互作用，使右侧磁密增强，左侧磁密减弱，从

6、而产生指向x轴正向的麦克斯韦合力；图1.4（b）中两个磁场相互作用产生指向y轴正向的麦克斯韦合力。因此通过检测转子径向位移偏离量，来调节悬浮控制绕组产生磁场的大小和方向，就可以控制作用在转子上的径向力的大小与方向，从而实现转子径向的稳定悬浮。3无轴承薄片离心泵的研究和实现1.2无轴承永磁薄片电机发展概况近年来，随着电力电子技术、高性能的数字信号处理器、高精密传感器技术和转子动力学等的进一步发展,磁悬浮技术得到了飞速发展。交流异步电机、永磁同步电机、单极性感应电机、开关磁阻电机的无轴承技术相继被提出。随后，还出现了无轴承永磁薄片电机[15~1

7、8]、无轴承交替极电机[19~20]，使得无轴承技术得到了不断的发展和成熟。无轴承永磁薄片电机作为一种新型的特殊动力装置，其应用还处于探索阶段。上世纪八十年代早期，Bramm等人提出了第一台磁悬浮离心泵实验模型[21]。第一台可以应用的磁悬浮离心泵由AkamazuT研制成功[22]，其采用了电磁轴承和永磁轴承的混合轴承系统。电磁轴承泵的优点是没有机械磨损，且很少形成血栓，但也存在诸多缺点：结构复杂，径向和轴向磁轴承占用很大的空间，难以微型化。而无轴承薄片离心泵保留了磁悬浮离心泵的优点，又避免了其不足之处。利用无轴承技术集成度高、体积小、结构

8、简单的特点，可大大提高功率密度。目前瑞士联邦工学院在与LevitronixGmbH公司合作下，已经有部分无轴承永磁薄片电机的产品初步实现系列化，应用于人工心脏血泵、生物细胞培植中