用于離心泵的雙層轉子結構無軸承永磁薄片電機

朱熀秋，倪寅坤

(江蘇大學，鎮(zhèn)江 212013)

用于離心泵的雙層轉子結構無軸承永磁薄片電機

朱熀秋，倪寅坤

(江蘇大學，鎮(zhèn)江 212013)

無軸承永磁薄片電機應用于離心泵，可實現(xiàn)離心泵的完全密封，讓傳統(tǒng)離心泵的密封難題得到解決。從空間利用率的角度，設計了一種具有新型雙層轉子結構的無軸承永磁薄片電機，減小了電機軸向長度，分析了該磁路及懸浮力產生原理，并推導了數學模型。用軟件構建了模型并進行了有限元分析，結果證明電機具有良好的工作性能，該結構設計可行。

無軸承永磁薄片電機；數學模型；結構；雙層轉子；離心泵

0 引 言

具有無摩擦、無磨損、無需潤滑、高速度、高精度、長壽命等一系列優(yōu)點的無軸承電機[1-3]，是高速電機傳動領域里的一項重大突破，相比于采用磁懸浮軸承支承的高速電機，無軸承電機解決了其軸向占用空間大、控制系統(tǒng)復雜、成本高等一系列缺點，成為了當今研究的熱門項目，在機械加工、半導體工業(yè)等領域有著廣泛的應用前景。

無軸承永磁薄片電機轉子軸向長度小于轉子直徑，呈薄片狀，3個自由度處于被動懸浮狀態(tài)，余下3個自由度主動控制懸浮，從而實現(xiàn)了5自由度全懸浮運行[4]，是一種進一步簡化了結構、增強了實用性的無軸承電機。在薄片電機轉子上安裝葉片，并讓其在一個密閉的泵室中懸浮運行時，就構成了無軸承薄片電機驅動的離心泵系統(tǒng)[5]，實現(xiàn)了小型化、高密封性、超潔凈等設計要求；同時，定子與轉子的物理隔離解決了泵系統(tǒng)中所面臨的液體分子擠壓破壞、接觸面磨損易腐蝕等技術難題，成為新的研究和應用熱點，廣泛地應用于生命科學、化工工業(yè)、半導體加工等行業(yè)。

本文根據文獻[6]中的雙層轉子結構原理及無軸承永磁薄片電機中繞組極對數關系原理[7]，設計了轉子極對數為2，懸浮力繞組極對數為1的無軸承薄片電機泵，減小了電機軸向長度，提高了電機空間利用率，并對其磁路及懸浮力產生原理進行了分析，推導了電機數學模型，并通過有限元仿真對其進行了驗證，證明了該結構的可行性，為泵的結構設計應用提供了新的思路。

1 雙層轉子結構薄片電機結構及原理

本文所設計的無軸承薄片電機結構如圖1所示，轉子由上下兩層結構，永磁體分布空間角度相差90°，轉子之間由不導磁材料制作的葉片相連，實現(xiàn)轉子磁場不相交，運動狀態(tài)同步。

圖1 雙轉子薄片電機結構圖

定子由6個獨立的C型柱體構成，采用集中式繞組結構，其中，轉矩繞組2對極，懸浮力繞組1對極。這種結構同時在上下齒中產生磁通，實現(xiàn)對上下層轉子的同步控制。這種特殊結構有效地節(jié)省了電機的軸向空間，從而提高了電機空間利用率。而且，電機泵工作時，流體的沖擊會對轉子位移造成擾動，雙層轉子的對稱結構有著更好的穩(wěn)定性，工作原理如圖2所示，輸送的液體從入口流入，經過電機轉子葉輪的帶動，從出口流出。與普通的無軸承永磁薄片電機泵(如圖3所示)相比，由于液體流動方式的改變，轉子在軸向受到的擾動因素減少；同時，轉子的對稱結構對徑向的抗擾動能力更強，因此，新設計的電機結構在運行時具有更好的穩(wěn)定性。

圖2 雙層轉子結構的薄片電機泵工作原理圖

圖3 普通薄片電機泵工作原理圖

電機3個自由度的被動懸浮原理和普通結構的薄片電機原理[8]相同，如圖4和圖5所示。電機主動懸浮力產生原理如圖6所示，電機磁路呈立體式，上下磁路對稱，方向相反。氣隙中，2對極的轉矩繞組磁磁通與1對極的懸浮力繞組磁通疊加，產生可控的徑向麥克斯韋力，實現(xiàn)徑向位移的主動控制。

圖4 被動懸浮力產生原理

圖5 被動懸浮扭矩產生原理

圖6 徑向主動懸浮力產生原理

2 雙層轉子結構薄片電機數學模型

電機轉矩繞組為2對極，懸浮力繞組為1 對極，則6個轉矩繞組中的電流可表示[9]：

式中:Im為轉矩繞組電流矢量幅值;θm為轉矩電流電角度。

6個懸浮力繞組中的電流可表示：

式中:Is為懸浮力繞組電流矢量幅值;θs為懸浮力繞組電流電角度。

轉子永磁體產生的磁場近似作正弦，在6個定子齒產生的磁勢可寫作：

式中:H為永磁體矯頑力;l為永磁體厚度;θr為轉子電角度初始相位角。

根據等效磁路法，有：

式中:Φk為每條磁路中磁通；R為磁路磁阻；W1,W2為繞組匝數。化簡可得：

忽略邊緣效應，各齒氣隙處磁通密度為：

式中:r為轉子半徑；d為轉子軸向長度；α為定子弧寬。

根據麥克斯韋電磁吸力公式，轉子表面受到的作用力有：

則可得x和y方向上的懸浮力Fx和Fy分別為：

代入定轉子磁通可得：

從磁場角度分析，轉矩產生原理與永磁薄片電機原理[9]相似，由電磁轉矩表達式：

代入式(3)和式(5)，有：

3 基于Ansoft軟件的有限元仿真分析

利用Ansoft軟件對本文所設計的雙層轉子無軸承永磁薄片電機建模，并進行有限元分析。其中，電機參數：轉子半徑為20 mm，氣隙寬度1 mm，轉子軸向長度4 mm，轉子間距5 mm，永磁體厚度2 mm，剩磁1.23 T，轉子極對數為2，永磁體充磁方式為平行充磁。電機轉矩繞組極對數為2，懸浮力繞組極對數為1，兩套繞組通電電流均為400安·匝。進行有限元仿真分析，氣隙中永磁體產生的磁通分布情況如圖7所示。可以看出，氣隙中，磁通峰值在0.7 T左右。軸向移動及翻轉產生的被動懸浮力、被動扭矩大小如圖8、圖9所示。在軸向被動磁拉力分析計算中，保持通電電流幅值不變，取軸向偏移分別為0.1 mm,0.2 mm,0.3 mm,0.4 mm,0.5 mm時的瞬間狀態(tài)，計算出轉子所受到的軸向磁拉力，由圖8所知，近似呈線性關系；在被動懸浮扭矩的分析計算中，取沿x軸翻轉不同角度的瞬間狀態(tài)計算轉子所受到的被動懸浮扭矩，從圖9中可以看出，扭矩隨著翻轉角度增大而增加。綜上所述，隨著軸向位移長度和轉子翻轉角度的增加，電機提供的被動磁拉力和被動懸浮力矩逐漸增大，能夠實現(xiàn)3自由度的被動穩(wěn)定懸浮。圖10是轉子機械角度分別在-45°,0°和45°下電機的徑向主動懸浮力與徑向位移關系圖。圖10表明，在電流幅值相等的情況下，徑向主動懸浮力的大小會受到轉子機械角度和轉子徑向偏移角度的影響，隨著偏心位移增加，電機提供的主動徑向懸浮力逐漸增大，在偏心達到0.6 mm時，作用力能夠達到50 N。其中，在偏心位移為0時，轉子角度為0°時，轉子所受到的徑向懸浮力為11.87 N，根據模型，代入參數計算得出理論值為12.13 N，分析結果與模型基本相符。可見，電機能夠實現(xiàn)對轉子的徑向位移的主動控制。

圖7 氣隙磁密分布

圖8 軸向被動懸浮力

圖9 被動懸浮扭矩

圖10 徑向主動懸浮力

4 試 驗

實際的試驗樣機,如圖11所示。轉子半徑為40 mm，軸向長度為8 mm，轉子間距為15 mm，電機氣隙為2 mm，電機轉矩控制采用基于轉子同步坐標系的矢量控制策略，懸浮控制采用直接位移控制。

圖11 電機樣機圖

試驗結果如圖12所示，圖12(a)為電機繞組電流圖，圖12(b)為電機轉子中心位置圖。由圖12可見，電機運行時，轉子能實現(xiàn)懸浮，在中心位置附近振蕩，由于電機樣機為初期樣機，本體結構參數有待進一步優(yōu)化，轉子振蕩較為明顯，但仍在可控范圍內，試驗結果表明本文所提出的結構的可行性。

(a)繞組電流波形(截圖)(b)轉子中心位移(截圖)

圖12 試驗結果

5 結 語

無軸承永磁薄片電機集傳統(tǒng)永磁電機與無軸承電機的優(yōu)點于一身，高轉速、高效率、無摩擦，無磨損、結構簡單，其在泵領域的應用，實現(xiàn)了無接觸、無污染的液體傳輸，有重要的研究價值。本文研究了一種雙層轉子結構的無軸承永磁薄片電機，有效利用空間磁路，從結構上減小了電機軸向長度，提高了空間利用率，并分析了雙轉子電機的轉矩產生原理與無軸承薄片電機5自由度懸浮原理，建立了數學模型，通過有限元仿真，分別從軸向移動距離、翻轉角度與被動懸浮力之間和徑向位移與主動懸浮力之間的關系進行分析，最后通過實驗進行了初步驗證，結果表明新設計的電機能夠產生足夠的懸浮力實現(xiàn)電機轉子穩(wěn)定懸浮。為無軸承永磁薄片電機離心泵的結構設計提供了一種新的思路。

[1] SCHOB R，BARLETTA N，HAHN J．The bearingless centrifugal pump：A perfect example of a mechatronics system[C]//Proceedings of the 1st IFAC-Conference on Mechatronic Systems．Darmstadt，Germany：IFAC，2000：559-562．

[2] SILBER S，AMRHEIN W，BOSCH P，et al．Design aspects of bearingless slice motors[J]．IEEE Transactions on Mechatrionics，2005，10(6)：611-617．

[3] NUSSBARMER T，KARUTZ P，ZURCHER F，et al．Magnetically levitated slice motors—an overview[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47(2) ：754-766．

[4] BOSCH P，BARLETTA N．High power bearingless slice motor (3-4kW) for bearingless canned pumps[C]//Proceedings of the 9th International Symposium on Magnetic Bearings．Kentucky，USA：Kentucky University，2004：1466-1471．

[5] 朱熀秋，陳金海．無軸承永磁薄片電動機泵原理及控制系統(tǒng)設計[J]．排灌機械工程學報，2012，30(5)：517-521.

[6] ASAMA J，F(xiàn)UKAO T,CHIBA A．A design consideration of a novel bearingless disk motor for artificial Hearts[C]//Energy Conversion Congress and Exposition．IEEE,2009：1693-1699．

[7] BICHSEL J.The bearingless electrical machine[C]//International Symposium on Magnetic Suspension Technology,NASA,1992:561-573.

[8] 左文全．無軸承永磁薄片電機懸浮力模型及數字控制研究[D]．鎮(zhèn)江:江蘇大學，2012．

[9] 廖啟新．無軸承永磁薄片電機的研究[D]．南京:南京航空航天大學,2005．

Design of a Bearingless PM Slice Motor with Dual Rotor for Centrifugal Pumps

ZHUHuang-qiu,NIYin-kun

(Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

The bearingless PM slice motor, which is used in centrifugal pump, realizes the high sealing of the pump. Considering the space utilization, a novel bearigless PM slice motor with the structure of dual rotor was designed.The motor height was reduced. The magnetic circuit and the suspension force was studied, including the radial suspension force formula and motor mathematical model. Analysis by using finite element method was conducted, which proved the possibility of the structure.

bearingless PM slice motor; mathematical model; structure; dual rotor; centrifugal pump

2016-01-13

江蘇省“青藍工程”(2014)項目;江蘇省“333工程”(2014)項目;江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(2014)

TM351

A

1004-7018(2017)03-0009-04

朱熀秋(1964-)，男，教授，主要從事無軸承電機精密驅動及控制、磁懸浮高速傳動系統(tǒng)理論及控制、電機及其運動控制等研究。