无轴承永磁同步电机磁悬浮系统耦合理论分析及仿真

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1、无轴承永磁同步电机磁悬浮系统耦合理论分析及仿真杨国良，张广路，李惠光(燕山大学，河北秦皇岛066004)摘要：无轴承永磁同步电机由于功率密度大、转矩脉动低等优良特性受到了高度重视。文中针对一类表面贴装式无轴承永磁同步电机，详细推导出径向悬浮力表达式，建立了准确的数学模型。在以往的研究中，大多没有对磁悬浮转子系统的耦合问题进行全面的研究。在实际磁悬浮转子的应用系统中大多数也是忽略耦合影响因素。随着磁悬浮转子系统的结构尺寸的减小，耦合的影响渐渐突显出来，再忽略耦合的影响是不合适的。故对磁悬浮转子系统的耦合问题进行全面的研究具有理论与实际双重意义。关键词：无轴承永磁同步电机；磁悬浮转子；耦

2、合特性；仿真分析0引言无轴承电机由于无需独立的径向磁轴承支撑，可靠性提高，可微型化，可突破超高转速的限制，拓宽了高速电机的应用领域，另外由于无需建立独立的偏置磁场，磁悬浮功耗降低，无轴承电机在飞轮贮能、生、化、医、核等领域应用独具特色。无轴承的种类很多，其中结构简单、运行可靠、功率密度大的无轴承永磁同步电机受到了高度重视。这是因为和无轴承异步电机相比，转子上永磁体极数固定，悬浮控制绕组在转子上没有感应电流产生，控制系统设计相对简单；另外在超高速驱动领域，它还可大功率化(60000r／min运行时功率可达200kW以上。与无轴承开关磁阻电机相比，没有转矩脉动的局限性，在高性能驱动领域有

3、其优势。虽然无轴承永磁同步电机也存在诸如弱磁相对困难等特性，但随着电机设计技术和无轴承技术的发展，这些不足正逐步得到改善。因为磁悬浮转子系统工作原理的特殊性，其内部会产生力耦合和磁耦合现象。研究磁悬浮转子系统的耦合现象是研究磁悬浮转子系统的理论基础工作，又是磁悬浮转子系统应用研究的工作之一。磁悬浮转子系统的力耦合、力矩耦合、磁耦合等耦合现象是磁悬浮转子系统的特性。在以往的研究中，大多没有对磁悬浮转子系统的耦合问题进行全面的研究。在实际磁悬浮转子的应用系统中大多数也是忽略耦合影响因素。当磁悬浮转子系统的结构尺寸较大时，上述方法可以得到令人满意的应用结果。但是随着磁悬浮转子系统的结构尺寸

4、的减小，耦合的影响渐渐突显出来，再忽略耦合的影响是不合适的。故对磁悬浮转子系统的耦合问题进行全面的研究具有理论与实际双重意义。本文对磁悬浮转子系统控制原理、数学模型及关键技术进行了分析研究；对磁悬浮转子系统力耦合、磁耦合、力矩耦合现象进行理论进行了分析并对系统进行了仿真实验研究。1无轴承永磁同步电机磁悬浮机理1．1工作原理在电机的定子槽中放入两套不同极对数的绕组，即转矩绕组(极对数Pl，电角频率∞1)和．101．悬浮控制绕组(极对数P2，电角频率u2)，当满足P2=p1±1、602=r．01条件时，电机中才能产生可控的悬浮力。悬浮控制绕组的引入，有目的的改变电机气隙磁场的分布，使得电

5、机转子上受到恢复其中心平衡的麦克思韦力。如图1所示的无轴承永磁同步电机(pl=2，p2=1)中，悬浮控制绕组产生了一对极的气隙磁场，以下简称为控制气隙磁场；转矩绕组和永磁体转子共同作用生成两对极的气隙磁场，以下简称为转矩气隙磁场。两个气隙磁场的相互作用使得转子左右侧气隙磁感应强度不均匀，其结果产生了沿X轴正方向的麦克思韦合力(即径向悬浮力)，见图l(a)；图1(b)中两个气隙磁场的作用产生了沿Y轴正方向的径向悬浮力。通过控制两个气隙磁场的相对位置，可以控制沿径向任意空间位置的径向悬浮力。利用转子径向位移的负反馈控制，可以有效控制作用在转子上径向力的大小和方向，从而实现转轴的悬浮。无轴

6、承永磁同步电机的电磁转矩则基于洛仑兹力产生，与普通永磁同步电机无异。【呻【b)图1无轴承永磁同步电机悬浮力产生示意图1．2数学模型为便于分析，先作如下假设：(1)径向悬浮力分析中，只考虑麦克思韦力作用，而忽略洛仑兹力影响。(2)转矩绕组和悬浮控制绕组的空间相轴线、相量时间轴、X轴线及位移传器中心线均重合，y轴超前X轴90。空间角。(3)Pl印2+l。设电机中的气隙磁密为曰，则作用在转子表面删面积上的麦克斯韦力为dF：_B2一dA(1)2／ao式中，‰为真空磁导率。其沿X、Y轴方向上的分量为：dFx(O')=：上B2(妒，f)COS妒d伊(2)zu0d■(妒)=：!-B2(妒，，)si

7、n(妒)d伊(3)／u0其中，，为电机有效铁心长度；，．为转子外径；妒为空间位置角。由于电机中的气隙磁密是由转子永磁体、转矩绕组和控制绕组共同产生的合成气隙磁密，即B(妒，，)=Blcos(pl●o—aht+U)+B2cos(p2伊一q，+旯)(4)式中：摩为转子永磁体、转矩绕组共同产生的气隙磁密幅值，r=P1[吩^9+(厶d—Zlq)ilJilg]=P1y，‘。为控制绕组单独作用产生的气隙磁密幅值；入、u为初始相位角。下标“l”，“2”分别对应着转矩绕组