哈尔巴赫永磁环阵在无轴承瓣形薄片电机中的应用

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1、第13卷第34期2013年l2月科学技术与工程VoL13No．34Dec．20131671—1815(2013)34—10167·05ScienceTechnologyandEngineering@2013Sci．Tech．Engrg．哈尔巴赫永磁环阵在无轴承瓣形薄片电机中的应用赵敬云赵筱赫王伟然(河南机电高等专科学校，新乡453002；江苏科技大学，镇江212000)摘要磁悬浮转子的拖动系统以其独特的优势，在高转速、长寿命、超密封等驱动领域有广阔的应用前景。由于无轴承薄片电机结构紧凑且只需要三个自由度的悬浮控制，在很

2、多领域具有很高应用价值。通过对传统无轴承瓣形薄片电机的分析，提出利用哈尔巴赫永磁环体取代转子永磁体，并建立数学模型，利用有限元方法对定子单元产生的径向力进行仿真计算，结果表明，由于哈尔巴赫永磁转子结构无需铁芯，使无轴承瓣形薄片电机控制力减至最小，同时减小了转子的转动惯量，提高了电机控制性能和运行平稳性。关键词无轴承薄片电机哈尔巴赫磁悬浮中图法分类号TM352；文献标志码A无轴承电机可以同时产生旋转力矩与径向悬浮力，在超高速、强密封、长寿命、无润滑等对拖动有特殊要求的领域中具有较大优势。一般无轴承电机具有极对数相差为1的

3、两套定子绕组，分别产生电机转矩和可控径向力⋯。两套绕组的引入，使电机结构复杂，同时由于其转矩与径向力控制之间的非线性、强耦合，对控制系统要求较高。本文所述的无轴承瓣形薄片电机，仅采用一套定子绕组，图1无轴承瓣形电机的结构示意同时产生电磁转矩与径向力。如图1所示，电机定子具有四个三磁极式单元。四个定子绕组接成星1瓣形薄片电机的结构形，与四个独立的定子单元形成具有三自由度的悬1．1转子永磁体结构浮驱动系统j。通过独立控制每个绕组电流，实现图2所示为不同结构的转子永磁体结构，图2电机运行参数的控制(转矩、方向及Y方向的位置(

4、a)为内装式永磁体结构，(b)为表面贴片式永磁体偏移)。结构，(c)为哈尔巴赫永磁环体结构J。对于转子外径固定的情况，为减小转子转动惯量，需要尽可能增大永磁体环的内径。在表面贴片式与内装2o13年7月5日收到，8月2日修改国家自然科学基金式永磁体结构中，为了得到较大的气隙磁密，同时(61174005)资助获得合理的轴向尺寸和倾斜刚度，需要引人环形铁第一作者简介：赵敬云(1973一)，男，副教授，硕士。研究方向：机电芯结构(背铁)。然而该结构的引入增大转子质量，一体化和机械优化设计等。通信作者简介：赵筱赫(1983一)，

5、女，硕士。研究方向：无轴承电使径向位移刚度相应增加，从而增加悬浮控制电机及磁悬浮轴承样机设计和控制等。E-mail：15893860381流，降低电机的控制性能。@163．corn。如图2(c)所示，哈尔巴赫永磁体阵列无需采用科学技术与上程l3卷(a)内装式永磁环体(b)表面贴片式永磁转子(c)哈尔巴赫永磁体阵列图2不同转子永磁体结构环形铁芯。相同体积永磁体的被动刚度小于前两在电机参数(附加转矩、被动刚度、电机性能参种结构，且有效减小转子质量。该结构电机中，定数)给定情况下，通过有限元仿真计算，得到最优的子电流激发的磁

6、场不受转子位置影响，若不计磁饱哈尔巴赫永磁环体的几何尺寸，如表1。该永磁体和的影响，力一电流曲线接近直线。另外，由于永磁阵列具有较大的内径，且外径与厚度之比较大，满足上文要求J。为达到预期的磁化效果，需要准确环阵列上的电枢反应可以忽略不计，转子永磁体无退磁，。同时，哈尔巴赫永磁体阵列在气隙处形计算每个磁化单元的尺寸及合理组装铷铁硼(理想剩磁B⋯=0．7T)永磁环体。成一个天然的成正弦规律分布的气隙磁场，有利于减小无轴承瓣形电机的附加转矩。表1哈尔巴赫永磁环体的几何尺寸1．24片对称定子单元瓣形电机的特征与要求为获得较大

7、的轴向和倾斜刚度，要求哈尔巴赫永磁环阵形成的磁场具有一定数量的极对数，从而得到合适的气隙磁密。为得到可控的、Y方向的径向力_卜j电机转矩，磁极数满足下式：2电磁力的分析P：2+4k；k∈N。根据电机实际结构，本文选P=10。为确保转子位于径向中心位置，定子磁场必须4片对称定子单元分片电机具有单相转矩特能够产生有效径向力，以补偿转子偏心或受到外部性。由于电机磁结构的对称性，每个定子单元的磁扰动时所受的单边磁拉力。因此，有必要研究定子电流对转子的作用力。在分析电磁力之前，对系统通都相同或者相差180。电角度。由于这种对称性

8、，模型做以下简化：忽略定子铁芯磁饱和的影响，且电机在四个定子单元产生的附加转矩分量在幅值认为其B．H曲线为线性；假设转子位于轴向中心位和相位上完全对称，这样电机总的附加转矩是单个置；认为转子永磁体是理想圆环形；忽略漏磁通。定子单元的四倍。这样，得到一个呈轴对称结构的电机模型。电机附加转矩定义为当电流为0时，系统2．1单个定子单元电