摘要：無軸承電機集磁性懸浮與轉矩驅動于一體，具有無摩擦、無磨損、無損耗、免維修、壽命長等獨特優點，從根本上改變了傳統的支承與傳動形式：該文介紹一種無軸承繞線型異步電機，通過瞬態有限元分析法(TFEM)計算其徑向力和轉矩的瞬態響應，結果表明該無軸承電機可以同時產生支承轉子重量的穩定徑向力與恒定轉矩，且其控制電流柏互獨立，與鼠籠型轉子無軸承異步電機相比前者能夠產生更有效的徑向力，且轉矩不受徑向力繞組電流干擾；并在基于svM—DTc的磁懸浮異步電機懸浮子系統獨立控制實驗平臺上加以測試，結果表明該系統能夠實現了無軸承繞線型異步電動穩定懸浮。

關鍵詞：無軸承電機；有限元分析法；懸浮控制；徑向力

    0 引  言

與機械軸承相比，磁軸承因其無接觸、無摩擦、無磨損、無機械噪音等優點，在一些有特殊要求的驅動系統中有很好的應用前景。但是，磁軸承的引入，增加了整個系統的轉子長度，降低轉子利用率，從而限制了懸浮電機系統的臨界轉速及功率的提高。無軸承電機使磁軸承與轉子驅動系統結合為一體，很好地解決了這一問題。無軸承電機不儀能夠產生驅動負載的轉矩，同時還能產生使轉子懸浮的徑向力，有效地縮短轉子長度，克服了茲軸承支承電機系統由于轉軸過長而存在的轉子剛度小、臨界轉速低等問題。無軸承電機在工業領域有著廣泛的應用前景，例如醫療器械、飛輪貯能裝置、航空航天、半導體制造業等領域一原則上，無軸承電機可以在普通異步電機、永磁同步電機及磁阻電機上實現。這些不同的無軸承電機系統懸浮機理相同，而轉子結構不同。在無軸承籠型異步電機中，懸浮控制電流對運行性能有相當火影響。為了減小這種影響，近年來，作者從電磁場的角度出發研究無軸承異步電機：在繞線型異步電機基礎上實現無軸承技術——無軸承繞線型異步電機。

    本文采用有限元分析法計算旋轉電機徑向懸浮力與轉矩的瞬態響應，并對一臺樣機進行了數字平臺的控制實驗，結果表明，繞線轉子無軸承異步電機與籠型轉子的無軸承異步電機相比，在同樣條件下能夠產生更有效地徑向力，并且徑向力與轉矩的控制之間能夠實現自然解耦。

    1  工作原理

在無軸承電機中，徑向力是由于電磁場的不均勻分布產生的。研究表明，在同定子槽中，疊繞兩組極對數不同的線罔，其極對數分別為P，p!，當p=P2±1時，它們產生的磁場疊加產生可控徑向力。對于無軸承電機而言，當p1=P2+1時，徑向力模型在旋轉坐標系下的表示為：

    K為懸浮系數，i2d，i2q為懸浮控制繞組電流的d，q軸分量，ψ1d，ψq為定子磁鏈的d，q軸分量。

    可見，無軸承電機是一個非線性、強耦合的復雜系統，轉矩控制與懸浮控制兩系統之問存在耦合量ψ1．(定子磁鏈)。在其運行控制中，磁鏈信息的計算與傳遞直接關系到控制效果，必然增加控制系統的復雜性。在無軸承電機中，最重要的就足使運行性能與懸浮性能互不影響。本文介紹的無軸承繞線型異步電機，轉子繞組與轉矩繞組的極對數相同，轉子巾的感生電流不影響懸浮力磁場，這樣，懸浮力磁場就只產生使轉子懸浮的徑向力。

    無軸承繞線型異步電機的繞組結構如圖1所示。

轉矩繞組和轉子繞數極對數相同為

    1．懸浮力繞組極列數為2。懸浮力繞組與轉矩繞組通人頻率相同的電流，這樣可產生兩個轉速不同的旋轉磁場，這兩個磁場疊加就會產生一個支撐轉子重量的町控徑向力。轉子感生電流產生的轉子磁場對稱分布．以同步轉速旋轉，加強了徑向力；同時，轉矩只能巾2極轉矩磁場和轉子的2極感生電流相互作用產生。

    由于轉子磁場與懸浮磁場的極對數不同，所以懸浮力磁場不產生轉矩。

    2徑向力與轉矩的瞬態有限元分析

    2．1有限元方法瞬態有限元分析方法

以對象為導向，主要用于電機分析，是國際上公認的比較精確的電磁場分析方法，可以作為“數值模擬試驗平臺”仿真冉試驗系統無法測試到的數據。使用該軟件建立二維旋轉電機系統模型，然后通過矢量電壓逼近法分析電磁場，進而汁算相應的徑向力與轉矩的瞬態響應。

    由于無軸承異步電機中的電流沿。方向流動，所以磁動勢A中只有一個非O分量AZ，這是一個關于x，y的方程。所以，用_二維電機模型就足以計算出電機內部的電磁場。如果計算中考慮到鐵心長度，計算結果就與實際三維電機模型完全相同。圖2為瞬態有限元分析的瞬時磁場矢量分布結果。無軸承電機特點存在于其自身同時產生轉矩與懸浮力，另外，異步電機中的旋轉磁場無法通過靜態計算得出。鑒于此，需要通過對旋轉轉子進行瞬態計算來仿真這一過程。通過瞬態有限元分析方法可以在時間和轉子位置同時變化的情況下，計算徑向力和轉矩。

瞬態有限元分析的實現方法及瞬態與靜態有限元分析方法的區別在文獻[5]中由詳盡介紹。圖2所示為不同時間不同轉子位置的相應瞬態電壓矢量分布。顯而易見，電機的內部耦合磁場是旋轉的，并且呈不均勻分布。

    3與鼠籠型電機的比較

    3．1徑向力分析在無軸承異步電機中，由于不同的轉子結構鼠籠式結構和4極繞線型轉子結構，使其產生的徭向力有較大差異。圖3顯示了兩種不同轉子結構貞軸承異步電機徑向力的瞬態響應。t= O s時，轉矩繞組通人電流，無徑向力產生；t=0．1 s時，懸浮繞組通人懸浮電流，產生徑向力。

    在無軸承籠型異步電機，感生轉子電流不僅產生2極轉矩磁場，也能產生4極懸浮磁場。這兩個磁場的疊加形成不對稱磁場補償了由轉矩繞組和懸浮力繞組形成的不對稱磁場，削弱了徑向力。

    相反，在_尢軸承繞線型異步電機中，轉子繞綞與轉矩繞組有相同的極對數。感生轉子電流對建立與轉矩磁場相同極對數的均勻磁場起到抑制作用，增強氣隙磁場的不均勻分布，這樣會產生更大的徑向力。

    瞬態有限元分析結果也說明無軸承繞線型異步電機能夠比無軸承籠型異步電機產生更有效的徑向力。

    3．2轉矩分析

電機轉矩同樣受轉子結構的影響。圖4為兩種不同轉子結構電機的有限元分析轉矩的瞬態響應。

    無軸承繞線型異步電機產牛一個獨立于懸浮電流的恒定轉矩，而無軸承籠型異步電機的懸浮電流對轉矩有增大作用。

    無軸承籠型異步電的感生轉子電流不僅產生2極磁場，還產生一個4極磁場。4極磁場與懸浮磁場相互作用產生另外一個轉矩分量。這樣，無軸承籠型異步電機巾的轉矩包括阿個成分：一個由轉矩電流產生，另一個由懸浮電流產生，這樣使轉矩大小也由懸浮電流決定，再次證明該結構的無軸承異步電機是一個強耦合系統，致使設計控制系統時不得不考慮兩套定子繞組電流之間的解耦關系。

    相反，在無軸承繞線型異步電機中，轉矩只能由2極轉矩磁場與2極感生轉子電流相互作用產生。因為轉子磁場與懸浮磁場有不同的極對數，故轉矩不受懸浮力磁場的影響，實現了繞線轉子無軸承異步電機的自然解耦，從而簡化控制系統。

    4控制系統

    4．1驅動控制

    在無軸承繞線型異步電機中，轉矩不受懸浮電流的影響。所以，懸浮控制與轉矩控制互不影響。對轉矩控制，本文采用高速性能優良、計算周期短且結構簡單的基于空間電壓矢量調節的直接轉據控制(sVM—DTc)。圖5所示為異步電機的直接轉矩控制系統，通過3／2變換把靜止坐標系中的三相電流轉化為兩相旋轉坐標系的二相電流，并且引入具有解耦功能的通量模型，使異步電機的控制系統類似于直流電機。控制系統將電機給定轉速和實際轉速的誤差，經調節器輸出給定轉矩信號；同時系統根據檢測的電機二相電流和電壓值，利用磁鏈模型和轉矩模型分別計算電機的磁鏈和轉矩大小，計算電機轉子的圓周位置、電機給定磁鏈和轉矩與實際值的誤差；然后根據它們的狀態選擇逆變器的開關矢量，使電機能按控制要求調節輸出轉矩，最后達到調速的目的。

    4．2懸浮控制

在本文中的無軸承繞線型異步電機中，徑向力由2極磁場和4極磁場疊加產生。4極磁場由懸浮電流建立。空載時，電機內部只有一個2極轉矩磁場。

    負載情況下電機內部有兩個4極磁場：轉矩磁場和轉子磁場，這兩個磁場疊加將產生從空載狀態到負載狀態轉變的應變動力。對于轉子的特殊位置，在2極磁場基礎上，相應調節4極磁場，徑向力總能補償轉軸質量。根據這個原理，設計了一種控制系統，該系統含有不完全解耦驅動與懸浮控制，可以同時控制電機轉據與徑向力。圖6所示為該驅動與懸浮控制系統。一方面，懸浮控制依賴驅動系統負載情況。徑向力隨驅動電流與轉子偏心狀況而變化。

    通過解耦模塊與徑向力轉換器，可以控制徑向力補償整個控制系統的轉子質量，從而調節轉子位置回到定子中心。另一方面，懸浮控制系統對驅動控制沒有影響．

    5實驗研究

圖7給出了電機轉子的徑向位移波形，電機轉子的徑向****位移為O．06 mm(電機的單邊氣隙為0.25 mm)，圖8為轉矩繞組給定轉矩與反饋轉矩。

 

    由此可以得出，基于svM—DTc的磁懸浮異步電機懸浮子系統獨立控制方案，能實現繞線型無軸承異步電機的穩定懸浮。