新型無軸承磁通切換永磁電機有限元分析

方 超，賈紅云，袁安富，顧冬霞

(南京信息工程大學，南京210044)

0 引 言

無軸承電機具有無摩擦、無污染、無需潤滑、高速度、壽命長等優點，為新型電氣傳動領域提供研究方向［1］。長期以來，國內外學者研究的無軸承電機結構主要有無軸承感應電機、無軸承開關磁阻電機、無軸承永磁同步電機等，但是無軸承感應電機存在懸浮力與轉矩難以解耦，轉速易受到懸浮力干擾，電機效率較低的缺點;無軸承開關磁阻電機雖然結構簡單、魯棒性好，但功率密度小、效率低等特點嚴重制約了電機性能的進一步提高;無軸承永磁同步電機因其運行可靠、體積小、高效率、高功率密度等優勢，在飛輪儲能、航空航天、化工等領域具有很好的應用前景。但是傳統的無軸承永磁同步電機永磁體通常貼裝于轉子表面或內嵌于轉子，破壞了轉子結構的完整性，為此防止電機高速旋轉時磁鋼受到離心力影響而脫落，在轉子上都裝有不銹鋼或金屬纖維材料制作的保護裝置，冷卻條件差而溫升導致以釹鐵硼為主的磁性材料性能下降，嚴重時甚至發生不可逆退磁、限制電機出力、減少功率密度等問題［2-4］。

為解決上述問題，近幾年提出了幾種新型的定子永磁型電機，即將永磁體置于定子，如磁通切換永磁電機(以下簡稱FSPM)［5］、雙凸極永磁電機(以下簡稱DSPM)［6］、磁通反向永磁電機(以下簡稱FRPM)［7］等，由于結構簡單，轉子上既無永磁體又無繞組，此類電機適合高速運行。在此基礎上我們提出了一種永磁體位于定子的新型無軸承磁通切換永磁(BFSPM)電機，本文詳細闡述了新型無軸承電機拓撲結構和徑向力產生原理，并通過有限元分析了電機電磁特性，驗證了電機的結構正確性。

1 電機結構

圖1 電機結構示意圖

提出的12/10 極BFSPM 電機的拓撲結構如圖1所示。定子極除了電樞繞組之外，還引入了X，Y 軸方向的懸浮繞組，并一同疊壓在定子槽內。電樞繞組是由每4 個線圈串聯成一相繞組以構成A，B，C三相，Px1，Px2，Px3三套懸浮繞組串聯構成X 軸正方向懸浮繞組，而Px4，Px5，Px6構成X 軸負方向懸浮繞組，Y 軸懸浮繞組連接方式同理。電機正常工作時電樞繞組產生轉矩而懸浮繞組產生X，Y 徑向懸浮力以實現轉子穩定懸浮;定、轉子皆由硅鋼片疊壓而成，且為雙凸極結構;永磁體內嵌于定子軛部采用切向交替充磁。

2 徑向懸浮力產生原理

本文提出的BFSPM 電機徑向力產生原理與傳統無軸承電機原理相似，即通過定子上加載懸浮繞組打破原電機旋轉磁場平衡，使得電機氣隙某一區域磁場增強，而相對稱的區域氣隙磁場減弱，從而利用不對稱磁場產生麥克斯韋力大小和方向來實現電機穩定懸浮［8］。

圖2 徑向懸浮力產生原理圖

如圖2 所示，通過控制X 方向懸浮繞組中電流大小和方向來控制X 方向的徑向力大小和方向。當懸浮繞組未通入電流時，此時電機完全可視為FSPM 電機來運行，由于結構、氣隙磁密完全對稱，徑向力受力平衡，此時在麥克斯韋力作用下轉子處于中心位置，當發生轉子偏心時就可以通過控制X，Y 軸方向懸浮繞組電流大小來控制徑向位移。本文以X 軸方向懸浮繞組Px2，Px5為例來分析徑向力產生原理。X 軸方向的徑向力產生原理如圖2 所示，永磁體產生主磁場，磁力線如圖中粗線所示;懸浮繞組產生徑向力控制磁場，磁力線如圖中虛線所示;表示X 軸方向通入的懸浮電流。當給懸浮繞組Px2，Px5通入電流，根據“磁阻最小原理”，磁通沿著磁阻最小的路徑閉合組成回路，即在氣隙1 處永磁磁場與懸浮磁場方向相同，磁場增強;在氣隙2 處永磁磁場與懸浮磁場方向相反，磁場減弱，從而導致電機兩邊氣隙磁場明顯不平衡，產生如圖2 所示的X方向的徑向懸浮力Fx，通過控制通入的懸浮電流大小和方向來控制懸浮力的大小和方向。

3 有限元分析

3.1 永磁磁鏈和反電動勢特性

BFSPM 電機每相繞組有4 個轉矩繞組，例如A1，A2，A3，A4，由于每套線圈繞組具有互補性，使每相永磁磁鏈和反電動勢具有很好的正弦性，且每相之間互差120°，如圖3、圖4 所示。

圖4 空載反電動勢

3.2 磁通密度分布

BFSPM 電機初始角θr=0°位置定義如圖5 所示。如圖6(a)所示是θr=0°磁力線分布圖，此時X，Y 軸方向懸浮繞組均未通入電流，只有永磁體單獨作用，相鄰兩塊永磁體產生的磁通穿過氣隙進入轉子齒，轉子未偏心時，麥克斯韋力對稱分布，合力為零。如圖6(b)所示為相同轉子位置通入X 軸方向懸浮繞組電流時磁力線分布圖，此時懸浮繞組產生的磁場打破了永磁體產生的主磁場平衡，X 軸正方向的磁場增強，X 軸負方向的磁場減弱，而由于Y軸方向未通入懸浮電流，Y 軸正負方向磁場平衡，因此轉子受到X 方向的懸浮力Fx。

圖6 磁力線分布圖

徑向氣隙磁密曲線進一步驗證了無軸承電機徑向懸浮力原理，圖7(a)為未通入懸浮電流時氣隙圓周的徑向氣隙磁密分布，由于結構的完全對稱性，把圖7(a)曲線左移180°與原來曲線完全重合。圖7(b)為通入X 軸方向懸浮繞組電流時氣隙磁密分布圖，此時曲線左移180°，X 軸正方向徑向氣隙磁密明顯大于X 軸負方向，而Y 軸正負方向徑向氣隙磁密完全對稱，因此產生如圖2 所示的X 方向的徑向懸浮力Fx，因此有限元分析結果與徑向懸浮力原理產生吻合。

圖7 徑向氣隙磁密分布圖

3.3 徑向懸浮力

圖8 為懸浮力隨轉子位置的變化曲線，其中F是轉子所受的合力;Fx，Fy分別是X，Y 軸方向的徑向力。此時懸浮繞組通入1 A 電流，由圖8 可見，Fy隨著位置變化很小，并且Fy的值都在零附近波動，相比于Fx可以忽略不計［9］，此外合力F 曲線幾乎與Fx重合，并且方向隨著轉子位置變化很小而只與加載電流方向相關。這是本文所提出的BFSPM 電機一個最明顯優點，它與無軸承開關磁阻電機截然不同，無軸承開關磁阻電機徑向力會隨著轉子極與定子極重疊區域的增大而增大，并且合力也會隨著定轉子極重疊區軸線方向變化而變化［10］。為了分析懸浮電流對徑向力的影響，利用有限元計算了徑向懸浮力隨電流大小變化的曲線，如圖9 所示，由圖9 可見，徑向力隨著繞組電流的增加而增大。

圖9 徑向力隨電流的變化曲線

3.4 電磁轉矩

通過有限元計算出BFSPM 電機的轉矩輸出特性，圖10 為通入5 A 電樞電流時不同轉子位置的電磁轉矩計算結果。由圖10 可見，電磁轉矩在4 N·m 附近波動。

圖10 電磁轉矩波形

4 結 語

本文提出一種新型的定子12 極、轉子10 極的BFSPM 電機，詳細闡述了其結構特點和徑向力產生機理，通過有限元建模仿真分析了磁場分布、氣隙磁密、徑向力、轉矩等特性驗證了結構和原理的可行性，為無軸承電機的進一步研究提供了理論基礎。

［1］ 朱熀秋，張濤.無軸承永磁同步電機有限元分析［J］.中國電機工程學報，2006，26(3):136 -140.

［2］ 嚴欣平.無軸承永磁同步電機電磁設計與控制策略研究［D］.重慶:重慶大學，2008.

［3］ 孫曉東，陳龍，楊澤斌，等.無軸承永磁同步電機電感特性分析［J］.西南交通大學學報，2013，48(6):1059 -1065.

［4］ 曹鑫，鄧智泉，楊鋼，等.一種無軸承開關磁阻電機獨立控制策略［J］.中國電機工程學報，2008，28(24):94 -100.

［5］ 朱瑛，程明，花為，等.磁通切換永磁電機的空間矢量脈寬調制控制［J］.電機與控制學報，2010，14(3):45 -50.

［6］ CHENG M，CHAU K T，CHAN C C.Static characteristics of a new doubly salient permanent magnet motor［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2001，16(1):20 -25.

［7］ KIM T H，JANG K B，CHUN Y D，et al.Comparison of the characteristics of a flux reversal machine under the different driving methods［J］. IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(5):1916 -1919.

［8］ 張濤.無軸承永磁同步電動機設計與有限元分析［J］.微電機，2007，40(5):28 -31.

［9］ MATSUZAKI T，TAKEMOTO M，OGASAWARE S，et al. Rotor structure suppressing suspension force ripple in an IPM type bearingless motor with 2 -pole motor windings and 4 -pole suspension windings［C］//IEEE. International Conference on Electrical Machines，2012，744 -750.

［10］ 王喜蓮，葛寶明，王旭東.一種無軸承開關磁阻電機懸浮性能分析［J］.電機與控制學報，2013，17(1):7 -12.