40 k W高速無軸承永磁同步電機空載試驗

鄒學東，張 艮，鄒衛東

（1.南京芮沃軟件有限公司，江蘇南京 210007；2.中國華能集團南京寧華世紀置業有限公司，江蘇南京 210016；3.南昌洪都集團，江西南昌 330024）

0 引言

近年來，隨著磁懸浮技術、電力電子技術、矢量控制技術以及數字信號處理器技術的迅速發展，無軸承電機理論和相關技術得到了不斷發展與完善，在離心機、渦輪分子泵、壓縮機、高速精密機械加工、航空航天、生命科學等領域已經顯現出了極其重要的科研與應用價值。目前國內外學者已經對異步型［1］，永磁型［2］和開關磁阻型［3］及其他特種結構如單極型［4］的無軸承電機做出研究。通過研究可知，無軸承電機具有功率小、結構簡單和可靠性高的特性。從效率及轉子機械完整性的角度出發，帶有碳纖維復合材料帶的表貼式永磁電機具有良好的高速運行性能。本文首先介紹了該無軸承電機的結構及參數。然后針對該無軸承電機系統（包括懸浮子系統實驗及電機轉矩子系統），設計并進行了空載試驗。實驗結果表明，空載時，該驅動裝置在全速度范圍內具有良好的穩定懸浮性能。

圖1 高速無軸承永磁同步電機結構

表1 無軸承電機參數

1 結構描述及其主要參數

高速無軸承永磁同步電機結構如圖1所示，其額定轉速為40000rpm，額定功率為40kW。電機機殼由帶有冷卻劑導管的鋁制成，定子疊片通過膠合疊壓在機殼內，從而使得焊縫中不存在鐵軛飽和。轉矩繞組和懸浮力繞組均分布在同一定子槽中，其中轉矩繞組極數對數p1為2，懸浮繞組極對數p2為3。無軸承轉矩和懸浮力單元主要參數如表1所示。電機轉子（見圖3）總長度為460mm，總質量為12.52kg。NeFeB磁鐵被軸向分段（6段）粘在軸上并通過套有3.5mm碳纖維復合套管。轉子徑向和軸向位移通過在輔助軸壓縮鋁合金圈上安裝的電渦流位移傳感器測量。

圖1（a）40kW無軸承永磁電機結構以及（b）帶有碳纖維繃帶的4極永磁轉子（1）和電渦流位移傳感器測量表面（2）-（3）；推力磁軸承的驅動端（右端）圓盤（4）可以被看到。

2 電機系統空載試驗

2.1 反電動勢

在電機設計過程中，采用有限元分析軟件Ansoft 16來分析電機的基本運行原理。圖2為空載磁力線仿真圖，圖3為26°C時電機氣隙基本磁通密度。

從圖4可以得出相感應電壓波形的均方根值為199.42V。在相同轉速時，相電壓頻譜圖中3次諧波的峰值為18.83V。圖5為反電動勢仿真波形，和圖4中的計算值相比，兩者基本一致。同時，從圖6、7諧波頻譜圖中可以看出，相感應電壓中具有3次諧波成分，但由于定子繞組星型連接其在線反電動勢中不再出現。

通過分布繞組的繞組因數的過濾效果，頻譜中的5次和7次諧波幾乎可以忽略。由于驅動繞組和懸浮繞組分布在相同的定子槽中，懸浮電流開關諧波能在驅動繞組中感應出小電壓的磁場。這是無軸承驅動器的一個特性。

圖8為通過帶有0.1%的測量誤差的功率分析儀測出的不同轉速下基波均方值及40000rpm時的線性外推波形。通過短時間測量得出測量結束時轉子永磁鐵的溫度恰為26°C。并且，從圖中可以看出，在36024rpm時，相反電動勢基波的均方值是200.91V，其和模擬數值非常接近（199.64V）。

圖2 電機空載磁力線

圖3 26°C磁鐵溫度時氣隙磁通密度基波

圖4 轉速達36024rpm及溫度為26°C時模擬相感應電壓波形

圖5 在36024rpm發電機運行方式感應電壓相電壓Up和線電壓Up，LL測量波形

圖6 測量相傅里葉頻譜分析圖

圖7 在36024rpm發電運行模式下線感應電壓波形

圖8 相反電動勢基波均方值測量波形到36024 rpm及線性外推波形到40000 rpm

2.2 電機空載電壓和電流

電機系統采用工作在64kHz的頻率3級電壓型逆變器。在電機低電壓情況下，線電壓只有2個電壓等級：0和UDC/2。隨著電壓增加，會有2個和3個電壓等級的變換。當電機高速旋轉時逆變器提供一個3級電壓。逆變器輸出電壓幾乎為正弦信號，且由于電壓高頻率轉換，即使高速永磁型驅動器中典型的低驅動繞組電感系數的存在，電機的紋波電流仍然被很大的降低。

3 結論

本文首先針對該無軸承電機，進行了其結構及參數的較為細致的闡述。還針對該無軸承電機系統（包括懸浮子系統實驗及電機轉矩子系統），設計并進行了空載試驗。實驗結果表明，在全速度范圍內，空載條件下的該驅動裝置可以實現良好的穩定懸浮，且電機的運行性能良好。此外，驅動繞組帶有高開關頻率的3級逆變器的應用具有良好性能。關于其他驅動系統特性的進一步測量將在下一步工作中進行從而完整的評估該驅動的特性。

［1］A.Chiba，D.T.Power，M.A.Rahman.Analysis of No-Load Characteristics of a Bearingless Induction Motor［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1995（1）：77-83.

［2］M.Ooshima，A.Chiba，T.Fukao，M.A.Rahman.Design and Analysis of Permanent Magnet-Type Bearingless Motors［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1996（2）:292-299.

［3］M.Takemoto，H.Suzuki，A.Chiba，T.Fukao，M.A.Rahman.Improved analysis of a bearingless switched reluctance motor［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001（1）:26-34.

［4］O.Ichikawa，A.Chiba，T.Fukao.Development of homo-polar type bearingless motors［J］.Thirty-Fourth IAS Annual Meeting，Conference Record of the IEEE Industry Applications Conference，1999（2）：1223-1228.