一种无轴承开关磁阻电机悬浮性能分析

王喜莲， 葛宝明， 王旭东

(1．北京交通大学电气工程学院，北京 100044;2．哈尔滨理工大学电气工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

开关磁阻电机具有结构简单、控制灵活等诸多优点，因而得到了世界各国学者的广泛研究，然而轴承磨损问题制约了其在高速领域的应用。以磁浮轴承代替机械轴承很好地解决了这一问题［1］，但磁轴承也有电机结构复杂、故障率高等问题。针对此问题有学者提出了无轴承开关磁阻电机的概念［2－5］。该电机将悬浮绕组与旋转绕组叠绕在开关磁阻电机定子上，定子极上的旋转绕组在产生旋转转矩的同时产生了使转子径向平衡的悬浮力。当转子发生偏移时，通过调节悬浮绕组的通电电流，产生径向悬浮力从而使转子回到平衡位置。

目前国内外大多数学者研究的常规无轴承开关磁阻电机［2－11］其控制径向悬浮力的绕组多，电机结构复杂，从而导致故障率增加，而且电机运行中，控制绕组要随旋转绕组的切换在三相间不断切换，要求控制电路中IGBT个数多，使控制电路、控制软件都大大复杂化、系统成本增加。

针对磁轴承和传统无轴承开关磁阻电机结构复杂的问题有学者提出了新型的无轴承开关磁阻电机结构，文献［12］提出了转子一侧用轴承固定，一侧依靠径向悬浮力平衡的新型电机结构以减少轴承的使用，文献［13］提出了分别具有独立的径向力磁极和旋转力磁极的混合极无轴承开关磁阻电机结构，文献［14－15］提出了多绕组驱动结构电机。本文提出了一种结构简化的新型无轴承开关磁阻电机，解释了新型结构电机运行原理，利用有限元软件对其电磁性能进行了详细的分析，并与常规无轴承开关磁阻电机进行了性能比较。

1 新型无轴承开关磁阻电机结构及特点

1.1 常规无轴承开关磁阻电机结构

图1所示常规三相12/8极无轴承开关磁阻电机，定子极上除了旋转绕组(主绕组)以外，还绕有控制转子径向X轴和Y轴方向悬浮的悬浮绕组(控制绕组)，A、B、C三相X轴、Y轴方向各有1套，共6套控制绕组。电机正常旋转时，A、B、C三相主绕组需要轮流导通。为产生径向悬浮力，6套控制绕组也需要不断地随着主绕组的切换而切换，因而要求相应的控制电路有6组IGBT以完成控制绕组的切换。且常规结构无轴承开关磁阻电机相数越多，控制绕组数越多。

图1 常规无轴承开关磁阻电机结构示意Fig．1 Conventional BSRM configuration

1.2 新型无轴承开关磁阻电机结构及特点

新型无轴承开关磁阻电机结构，如图2所示［16］，该电机主绕组与常规电机相同，但控制转子径向悬浮的控制绕组只需要2套，以无轴承开关磁阻电机的横截面水平方向为X方向，横截面竖直方向为Y方向，X轴方向相邻的A、B及C相三个极共绕一套控制绕组，X方向相对的两组控制绕组串联，Y轴方向相邻的A、B及C相三个极共绕一套控制绕组，Y方向相对的两组控制绕组串联。三相电机只有2套分别控制X轴方向和Y轴方向径向悬浮的绕组。旋转过程中三相主绕组切换时，控制绕组不需要切换，只需要根据转子旋转位置改变2套控制绕组通电电流大小和方向即可，这样只需要2组IGBT就可以完成转子悬浮控制。

图2 新型无轴承开关磁阻电机结构示意Fig．2 New BSRM configuration

对于提出的新型结构无轴承开关磁阻电机，即使有更多的电机相数，也只需要2套控制绕组。控制绕组个数的显著减少，不仅简化了电机本身结构的复杂性，减小了故障率，而且在电机整个旋转运行过程中，不需要切换控制绕组，控制电路的IGBT个数减少为原来的三分之一，控制电路、控制软件均得到简化。

2 新型无轴承开关磁阻电机径向悬浮原理

新型无轴承开关磁阻电机旋转控制类似开关磁阻电机，转子径向悬浮通过控制X方向和Y方向控制绕组实现。转子正常旋转时，A、B、C相主绕组轮流通电产生旋转转矩的同时也产生了转子径向平衡的悬浮力，由于径向受力平衡所以转子在电磁力的作用下悬浮于中心位置，控制绕组不通电。如果外力或其它原因导致转子偏心，通过控制X方向或Y方向控制绕组通电电流的大小或方向，就可使转子产生悬浮力从而使转子回到平衡位置。控制绕组电流在转子旋转过程中不需要随主绕组的切换而切换，只需要依据转子旋转位置信号确定X方向和Y方向控制绕组通电电流大小及方向。

转子X轴方向和Y轴方向的径向悬浮原理相同，本文分别以B相主绕组、X轴方向控制绕组通电及A相主绕组、X轴方向控制通电时转子径向悬浮为例阐述新型无轴承开关磁阻电机工作原理。图3给出了X轴方向控制绕组通电时磁路示意图，其中Nb代表B相主绕组，由4个线圈串联，通电流ib，Na代表A相主绕组，由4个线圈串联，电流为ia，Nx代表X轴方向悬浮控制绕组，由相对的两个线圈串联，控制电流为ix。

图3 径向X轴方向控制绕组磁路示意图Fig．3 Magnetic path of the radial X-axis control windings

图3所示是B相主绕组导通区的某一位置处磁力线分布示意图。B相主绕组Nb产生四极主磁场，磁力线如图中粗实线所示，控制绕组Nx产生的磁场情况比较复杂，在图示转子位置处，其产生的主要磁力线示意图如图中虚线所示。由磁路示意图可知，主绕组和控制绕组电流产生的磁场叠加，导致X轴正方向b极位置处气隙磁密增强，X轴负方向b极位置处气隙磁密减弱，从而产生了X轴正方向的径向悬浮力，改变控制绕组电流方向即可产生X轴负方向的径向悬浮力。控制绕组通电导致c极位置处也有磁力线分布，但由于结构对称性两侧磁密相同，由此产生的径向悬浮力近似认为平衡。

转子在其他位置处悬浮力产生原理与图3类似，Y方向控制绕组悬浮力产生原理与X方向相同，同时控制X、Y方向控制绕组电流，即可形成任意大小和方向的径向力，从而实现径向力的悬浮控制。

3 新型无轴承开关磁阻电机性能分析及比较

应用有限元分析软件ANSOFT对新型结构无轴承开关磁阻电机和常规结构无轴承开关磁阻电机进行了电磁特性比较分析，分析计算时两种结构样机基本参数相同，电机为12/8极，主绕组30匝，控制绕组20匝，定、转子极弧15°，定子外径175 mm，定子内径98 mm，定子轭厚15 mm，转子外径97 mm，转子内径60 mm，转子轭厚15 mm，气隙长度0.5 mm，转子轴向长度100 mm。

忽略电机外缘漏磁场及端部效应，认为磁场沿轴向均匀分布，取电机横截面来研究整个电机的电磁场分布。在求解区域内，矢量磁位Az满足边值问题，有

其中:μ为求解域中材料的磁导率;Jz求解区域内的Z轴方向电流密度;τ1，τ2分别是定子外圆周、转子内圆周边界。采用虚功原理计算静磁力和静态转矩，X、Y方向所受的力分别为

静态转矩计算式为

3.1 磁通密度分布

以主绕组和X方向控制绕组通电为例进行计算，两种结构电机主绕组都通电流3.3 A，X方向控制绕组通电流0.5 A。定义如图4所示转子极中心与定子槽中心对齐位置为初始位置θr=0°，转子顺时针旋转，旋转角度以机械角度计。图4所示是转子分别旋转到B相主绕组导通区θr=10°时、A相主绕组导通区θr=20°时(A、B、C相定义如图3)磁力线分布图。

图4(a)新型结构电机X方向控制绕组电流产生的磁场破坏了B相主绕组产生的平衡磁场，导致X轴正方向气隙磁密增强，X轴负方向气隙磁密减弱，Y方向控制绕组因为没有通电，Y轴正负方向磁密平衡。图4(c)传统结构电机磁力线分布与图4(a)新型结构电机磁力线分布一致。换相导通区的图4(b)和图4(d)也有相近的磁力线分布。图示磁力线分布结果显示，新型结构电机X轴方向控制绕组产生的磁场同样可以使主绕组建立的左右平衡磁场破坏，从而导致相对两侧气隙磁密不平衡，可以产生如理论分析所示径向力。

图4 有限元计算的磁力线分布比较图Fig．4 FEM calculation for magnetic flux distribution

3.2 径向悬浮力

图5比较了两种电机随转子旋转位置变化时的径向力的大小曲线，分析计算以转子产生正转矩为例，因此各相绕组轮流导通，计算过程中没有考虑绕组电流关断后的续流问题，设转子在0°≤θr＜15°间B相主绕组通电，15°≤θr＜30°间A相主绕组通电。有限元计算中两种电机均选取主绕组通电电流10 A，控制绕组电流0.5 A。Fx代表水平方向的径向力，Fy代表垂直方向的径向力。

图示结果表明，两种结构电机均是转子在0°≤θr＜15°位置处B相主绕组通电时，水平方向径向力Fx随转子极与B相定子极重叠区的增加而增大，而垂直方向的径向力Fy近似为零。转子在15°≤θr＜30°位置处A相主绕组通电时，水平方向径向力Fx和垂直方向的径向力Fy均随转子极与A相定子极重叠区的增加而增大。新型无轴承开关磁阻电机与传统无轴承开关磁阻电机都产生了非常相近的径向力，径向力大小随位置的变化基本相同。

为分析控制绕组电流对径向力的影响，计算了主绕组电流恒定3.3 A时，控制绕组电流ix从0到1.5 A范围内变化时的径向力产生情况。图6是转子旋转到10°位置处B相主绕组导通，控制绕组通电电流变化时两种电机水平方向径向力和垂直方向径向力曲线。图7是转子旋转到20°位置处A相主绕组导通区时径向力曲线。由图可见，径向力均随控制电流的增大而增大，B相导通区水平方向径向力较大，而垂直方向径向力非常小，A相导通区两个方向产生的力都比较大。

图6 径向力随控制电流变化比较图(B相导通区)Fig．6 The radial forces versus the control current(B conducting)

图7 径向力随控制电流变化比较图(A相导通区)Fig．7 The radial forces versus the control current(A conducting)

图6、图7结果可见，随着控制绕组通电电流的加大，新型无轴承开关磁阻电机在产生径向力方面与传统无轴承开关磁阻电机相似，具有优良的悬浮性能。

3.3 静态转矩分析

为比较两种电机输出转矩特性，分别计算了转子在不同旋转位置时的静态转矩。计算过程中同样没有考虑续流问题，只是从电机本体理论出发计算了正转矩产生区的情况，转子在0°≤θr＜15°时B相主绕组通电，15°≤θr＜30°时换相为A相主绕组通电。在开关磁阻电机实际旋转控制中，为了避免绕组续流期间负转矩的产生，绕组都要提前关断，因而产生了换相区的转矩波动，需要一定的控制策略消除波动。图8是主绕组电流10 A，控制绕组电流0.5 A时的静态转矩曲线比较。

图8 电磁转矩随转子位置变化比较Fig．8 The torque versus the rotor position

图示结果表明两种电机静态转矩输出相近，在转子极与定子极不对齐位置处新结构电机静态转矩稍大(图示0°和15°位置)，而在转子极与正在导通相定子极对其位置处传统结构电机输出转矩稍大(图示14°和 29°位置)。

图9、图10分别是B、A相导通区控制绕组电流变化对静态输出转矩的影响曲线，主绕组电流恒定3.3 A，控制绕组电流从0到1.5 A范围内变化。图示可见，控制绕组电流对静态转矩的影响比较小。新型结构电机控制绕组对静态输出转矩基本没有影响，而传统结构的电机随着控制绕组电流的增大，输出转矩略有增加．

图9 电磁转矩随控制绕组电流变化比较(B相导通区)Fig．9 The torque versus the rotor position(B conducting)

图10 电磁转矩随控制绕组电流变化比较(A相导通区)Fig．10 The torque versus the rotor position(A conducting)

以上针对不同转子位置、不同控制电流对电机静态转矩进行了有限元计算分析，结果显示新型结构无轴承开关磁阻电机与传统结构电机相似，悬浮力的产生对旋转力的影响很小，或者说新型结构开关磁阻电机控制绕组在产生悬浮力的同时并没有对输出转矩产生负面影响。

4 结语

本文提出了一种新型结构无轴承开关磁阻电机，该电机只有2套控制绕组，电机运行过程中无需随主绕组的切换在三相间不断切换控制绕组。分析了新型结构无轴承开关磁阻电机的运行原理，利用有限元计算软件对其电磁特性与传统结构无轴承开关磁阻电机进行了对比研究，计算了电机旋转在不同转子位置处控制绕组产生悬浮力的效果，对比了控制绕组产生悬浮力同时对旋转转矩的影响。结论证实了本文提出的新型结构无轴承开关磁阻电机具有优良的悬浮与旋转性能，电机本体性能方面不逊色于传统无轴承开关磁阻电机，但新型结构电机在控制方面较传统电机具有鲜明的优势，本文为无轴承开关磁阻电机的进一步研究与应用提供了基础。

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