高速無軸承永磁薄片電機

4 電機結構

本文無軸承永磁薄片電機采用六齒三相1 對極結構。定子外圈向下折，成立體形狀，如圖5(a)所示。此外，六個齒上加上了齒靴，減少了轉子磁場的漏磁，提高永磁體的利用率。同時電機的磁路通過定子底層硅鋼片形成回路。定子每一齒極繞有一套懸浮繞組和一套轉矩繞組。轉矩繞組采用1 對極結構，有助于降低電角頻率，適于高速運行。霍爾角度傳感器和電渦流位置傳感器交替嵌于齒靴之間，如圖5(b)所示。定子線圈采用集中式繞組，可降低電機設計的復雜度，而且便于負載(如泵殼)的安裝，同時，齒與齒之間留出的空隙，為傳感器的安裝也提供了足夠的空間。

1 對極無軸承永磁薄片電機的樣機如圖6 所示。電機定子外徑116 mm，鐵心長度80 mm，采用的材料是普通0.25 mm 硅鋼片，線性相對磁導率約為3 000。每套轉矩繞組線圈有282 匝，每套懸浮繞組線圈有102 匝。轉子外徑53.2 mm，內徑14.4 mm，軸向長度14.5 mm，磁鋼為表貼式，材料為高能永磁材料(釹鐵硼)，剩磁1 050 mT，矯頑力844 kA/m，厚度2.5 mm，定轉子間氣隙3 mm。

5 控制系統和功率系統

無軸承永磁薄片電機的控制系統由調制電路和以數字信號處理器(DSP)TMS320F2812 為核心的控制器組成，實物如圖7 所示。TMS320F2812DSP芯片功能強大，運行速度快，具有豐富的片內外圍設備。150 MHz 的時鐘頻率保證了高轉速下控制策略的運算;利用IQmath 實現以C 語言為主體，局部調用匯編指令的方式編寫的控制系統程序，可實現坐標轉換和PID調節器的模塊化調用，從而簡化了程序存儲空間，提高了軟件質量;且芯片集成16 路的12 位模-數轉換器，為無軸承永磁薄片電機所需的電流傳感器、霍爾角度傳感器、電渦流位置傳感器提供了足夠的通道和精度。

功率系統是整個無軸承永磁薄片電機系統中的執行機構，負責完成控制器發出的指令。采用兩套三相電流控制型PWM 逆變器(CRPWM)，可以方便地控制轉矩繞組和懸浮繞組的三相電流。開關頻率為16 kHz。

6 電機性能試驗

考慮到無軸承永磁薄片電機的轉子沒有軸承支撐，試驗研究時，首先要實現電機的穩定懸浮。

圖8(a)為靜止懸浮時轉子在x方向和y 方向的位移波形。可以看出，當電機靜止懸浮的時候，轉子x、y 方向的位移波動范圍約20 滋m，實現了穩定懸浮。圖8(b)為懸浮電流閉環波形，Ila、Ila* 分別為a相懸浮繞組的給定電流和反饋電流。由于永磁體提供了懸浮力偏置磁場，只需極小幅值的懸浮電流即可實現電機的穩定懸浮。

啟動轉矩控制系統，給定250 Hz 的轉速，經過轉速閉環和轉矩繞組電流閉環，實現Itd=0 的轉子磁場定向控制，經過2 s的加速過程，轉速超過15 000 r/min，見圖9。轉子y 方向的偏移波形顯示，在啟動階段，轉子的徑向偏移嚴重，幅值達到160 滋m，但仍處于懸浮狀態。經過短暫調整，轉子徑向偏移趨于穩定，實現了電機高速懸浮運行。

圖10(a)為電機轉速穩定在15 000 r/min 時的轉子位移波形，轉子繞徑向平衡位置上下移動，偏移的幅值已在80 滋m左右。相較于電機靜止時的穩定懸浮狀態，此時為克服轉子高速旋轉時徑向的不穩定性，徑向懸浮力隨之增大，懸浮繞組的電流幅值亦增大，幅值已接近1.5 A，如圖10(b)所示。通過懸浮系統電流PI 環節的閉環作用，a相懸浮繞組的反饋電流能夠始終跟隨給定電流，滿足懸浮磁場的定向控制要求。圖10(c)為電機平穩運行時a 相轉矩繞組的給定電流Ita 和反饋電流Ita* 波形，通過轉矩電流PI 環節的閉環作用，轉矩的反饋電流和給定電流基本重合，幅值保持在0.6 A左右。

7 結語

本文推導了1對極無軸承永磁薄片電機的徑向懸浮力數學模型，并對數學模型進行了適當的簡化，降低了數字控制的復雜性;分析了原理樣機的結構特點，搭建了控制系統和功率系統;最后對樣機進行了高速運行試驗，轉速在15 000 r/min時，轉子徑向移幅約80 滋m。且電機轉速可在0耀15 000 r/min 之間連續調整，實現了全轉速的穩定懸浮運行。