摘要：在傳統(tǒng)無刷直流電動機(jī)中引入磁懸浮技術(shù)，構(gòu)成二自由度無軸承無刷直流電動機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的更高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。設(shè)計試驗(yàn)樣機(jī)，提出一種新型的繞組結(jié)構(gòu)．根據(jù)磁懸浮力產(chǎn)生機(jī)理推導(dǎo)出一個周期內(nèi)的繞組導(dǎo)通規(guī)律，并應(yīng)用軟件對樣機(jī)進(jìn)行有限元分析通過對仿真結(jié)果的分析，證明了所推導(dǎo)的繞組導(dǎo)通規(guī)律的正確性及新型元軸承無刷直流電動機(jī)設(shè)計的可行性，并實(shí)現(xiàn)了對新型尢軸承無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
關(guān)鍵詞：自由度：磁懸浮技術(shù)：無刷直流電動機(jī)；有限元分析
0引 言
無刷直流電動機(jī)是一種性能優(yōu)越、應(yīng)用前景廣闊的電機(jī)，它結(jié)合了直流電機(jī)和交流電機(jī)的特點(diǎn)，既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)[1]。
本文將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于無刷直流電動機(jī)構(gòu)造了一種兩自由度的無軸承無刷直流電動機(jī)。這種電機(jī)具有無摩擦、無磨損、無污染、不需潤滑和密封、高速度、高精度、高功率密度、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。，其轉(zhuǎn)速可達(dá)5000～800O r／min，且壽命可達(dá)上萬小時，其緊湊的結(jié)構(gòu)為研究特種新型電氣傳動系統(tǒng)提供了設(shè)計空間。因此，無軸承無刷直流電動機(jī)在數(shù)控機(jī)床、計算機(jī)外設(shè)、飛輪儲能、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。
電磁設(shè)計是高性能的無軸承無刷直流電動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文對無軸承無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了分析與研究，采用Ansoff／Maxwell2D有限元分析軟件[5]對無軸承無刷直流電動機(jī)進(jìn)行了有限元分析，通過分析檢驗(yàn)設(shè)計的正確性與合理性，為進(jìn)一步優(yōu)化無軸承無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)做好準(zhǔn)備。
l二自由度無軸承無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)行機(jī)理分析
1.1. l無軸承無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)沒計與繞組排布
二自由度無軸承無刷直流電動機(jī)如圖1所示，它采用兩套繞組疊繞在同一定子槽中，一套為轉(zhuǎn)矩繞組，用來產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩；另一套為懸浮力繞組，用來控制轉(zhuǎn)子的徑向位置。所采用的電機(jī)是12槽8極內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電動機(jī)。根據(jù)無軸承無刷直流電動機(jī)的懸浮和控制機(jī)理，我們對電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)計
1.2繞組導(dǎo)通規(guī)律分析
為了證明提出的繞組結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)牛轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮所需的懸浮力，本文在假設(shè)要廣‘生x軸方向懸浮力的前提下，預(yù)估出所需要的繞組導(dǎo)通規(guī)律(洋細(xì)推理過程限于篇幅不再展開)(如圖3所示)，并運(yùn)用有限元分析軟件建立仿真模型，按照預(yù)期規(guī)律在不同的轉(zhuǎn)子位置時刻加載相應(yīng)的電流，由仿真結(jié)果可知，此種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生假定情況下預(yù)期的懸浮力，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子在任何運(yùn)行情況下的穩(wěn)定懸浮成為可能。
圖3中給出廠轉(zhuǎn)矩繞組U、V、W和懸浮繞組繞組A、B、c的電流在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，圖中縱坐標(biāo)為電流值，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子機(jī)械角。預(yù)期根據(jù)上述規(guī)律可生成x軸正方向的懸浮力。其中，懸浮繞組：a1=C A，a2=0 A，b1=O.5C A，b2=O.866C A，c1=O 866c A，c。=0．5c A，c是一個常量。
電機(jī)為8極，故電機(jī)一對磁極對應(yīng)360。電角度，其對應(yīng)的機(jī)械角度為90。，義由于電機(jī)為12槽，槽問夾角為30。，據(jù)繞組形式可知，電機(jī)運(yùn)行以90。
機(jī)械角為周期。轉(zhuǎn)矩繞組與傳統(tǒng)無刷直流電動機(jī)的導(dǎo)通規(guī)律類似，工作于兩相同導(dǎo)通三相星型六狀態(tài)下，每刻均有兩相繞組導(dǎo)通，各相繞組分別持續(xù)導(dǎo)通120。電角度。
1.3懸浮力產(chǎn)生原理及數(shù)學(xué)模型[6-7]
在圖4中，根據(jù)繞組排布規(guī)律，為三套懸浮力繞組aa、6、c定義了三個坐標(biāo)平面，其巾a1一a2面與x—y坐標(biāo)面重合，b1-b2、c1一c2坐標(biāo)面分別由a1一a2坐標(biāo)面逆時針方向旋轉(zhuǎn)120。
和240。獲得。
根據(jù)圖3，將一個周期分為6段，每段跨越15。機(jī)械角，下面闡述這六個空間段內(nèi)懸浮力的生成方式與其所遵循的數(shù)學(xué)公式。
在O。～15。與45。～60。階段，6套懸浮繞組導(dǎo)通，由b1與b2產(chǎn)生的電磁力依據(jù)矢量合成來生成x軸正向的懸浮力，如圖5所示。
所產(chǎn)生懸浮力的大小與懸浮繞組中加載的電流大小有關(guān)，并且兩個并聯(lián)分支中電流的比例決定產(chǎn)生力的方向，大小決定力的大小。根據(jù)對一套懸浮繞組坐標(biāo)面的定義，可以將其產(chǎn)牛懸浮力的大小轉(zhuǎn)化為常用的z—y正交坐標(biāo)系下的量來分析，結(jié)果如下：
式中：^為比例系數(shù)，以下兩式同理。
在15。～30。與60。～75。階段，n套懸浮繞組導(dǎo)通，由a1與a2產(chǎn)生的電磁力依據(jù)矢量合成來生成x軸正向的懸浮力，與另兩組不同之處在于，這兩個空間段每次只導(dǎo)通兩個分支中的一支來產(chǎn)生x軸正向的懸浮力，如圖6所示。
所產(chǎn)生懸浮力的大小與懸浮繞組中加載的電流關(guān)系：
在30。～45。與75。～90。階段，c套懸浮繞組導(dǎo)通，由c。與c：產(chǎn)生的電磁力依據(jù)矢量合成來生成x軸正向的懸浮力，如圖7所示。
圖7 30。～45。與75。～90。階段轉(zhuǎn)子受力矢量合成圖所產(chǎn)生懸浮力的大小與懸浮繞組中加載的電流關(guān)系：2二自由度無軸承無刷直流電動機(jī)的有限元分析
采用Ansoft／Maxweu有限元分析軟件對無軸承無刷直流電動機(jī)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)無軸承無刷直流電動機(jī)繞組導(dǎo)通規(guī)律．由Maxwel】2D靜磁場分析[8]、結(jié)果可知，該無軸承電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生指定方向的穩(wěn)定懸浮力，可以實(shí)現(xiàn)兩自由度的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足設(shè)計要求。磁路分析如圖8所示。
圖中，T1-T6分別對應(yīng)上節(jié)所述的一個導(dǎo)通周期中的六個空間段。為了克服永磁磁場的強(qiáng)大影響，得到明顯的效果圖，磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖是在加載較大電流情況下得到的，仉其只是為了使試驗(yàn)效果明顯，以便于分析比較，仍具備參考價值。
現(xiàn)對仿真結(jié)果做以下分析：
(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖從磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖中可以看出磁場的強(qiáng)度分布與方向走勢。例如，在T1與T3中，6繞組導(dǎo)通，從圖中可知b1繞組所對應(yīng)的兩個定子齒處一個磁場變?nèi)酰硪粋�磁場變強(qiáng)。對于b2繞組也是如此。根據(jù)麥克斯韋力的產(chǎn)生原理可知，會產(chǎn)生如圖4中Fb1與Fb2方向的麥克斯韋力，其大小取決于電流的大小，而這兩個力的方向與x軸正方向夾角分別為60。與30。，只要兩者的比例滿足要求其合力就可以滿足設(shè)計要求指向。軸正方向。
同理T2與T4、T3與T6分別與圖5、圖6對應(yīng)，可以做同上的分析結(jié)果。
可知，仿真結(jié)果與理論分析基本一致。
(2)轉(zhuǎn)子受力波形轉(zhuǎn)子受力波形圖中橫坐標(biāo)為有限元分析的求解次數(shù)，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子受到的懸浮力，單位為N。從圖中可見，轉(zhuǎn)了在各指定位置處受力變化趨勢是逐步趨于穩(wěn)定的。而受力大小可以通過調(diào)節(jié)給定電流來調(diào)節(jié)．另外，波形中的震蕩反映了一些干擾因素，主要有以下兩方面：
(a)懸浮繞組與轉(zhuǎn)矩繞組間的耦合與相互干擾。
由于本文闡述的繞組結(jié)構(gòu)使同齒的懸浮繞組和轉(zhuǎn)矩繞組不同時導(dǎo)通，從而降低r f擾。
(b)轉(zhuǎn)子上的永磁體在懸浮繞組中感生EMF。
本結(jié)構(gòu)中懸浮繞組的排布是對稱的，且關(guān)于轉(zhuǎn)軸對稱的兩分支是相互串聯(lián)的，所以，每套懸浮繞組的各分支中感生的EMF大小相等、方向相反，基本相互抵消。
通過以上分析，證明了本設(shè)計可以有效地降低干擾，而且可以產(chǎn)生大小與方向可調(diào)的懸浮力，在此基礎(chǔ)上，只要采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ň涂梢栽诟鱾�轉(zhuǎn)予位置時刻通過實(shí)時跟蹤調(diào)節(jié)來產(chǎn)牛使轉(zhuǎn)子趨于穩(wěn)定的懸浮力，因此此設(shè)計是可行的。
3 無軸承無刷直流電動機(jī)優(yōu)化后的主要參數(shù)
4結(jié)語
本文將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于無刷直流電動機(jī)，構(gòu)造了一種兩自由度的無軸承無刷直流電動機(jī)，提出一種新型的繞組結(jié)構(gòu)。沒計了原型機(jī)，并根據(jù)磁懸浮力產(chǎn)生機(jī)理估算出針對產(chǎn)生x軸正方向懸浮力時一個周期內(nèi)的繞組導(dǎo)通規(guī)律，并應(yīng)用Maxwell 2D軟件建立2D仿真模型，進(jìn)行靜磁場分析。通過對仿真結(jié)果的分析，說明在預(yù)估的繞組導(dǎo)通規(guī)律下可產(chǎn)生基本穩(wěn)定的x軸正向懸浮力，并日．此力的大小與方向均可調(diào)，這就為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮控制奠定了基礎(chǔ)。這就說明了所提出的新型電機(jī)繞組分布及結(jié)構(gòu)的合理性，也說明本設(shè)計是可行的。
后期實(shí)驗(yàn)后，可以繼續(xù)對電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，改善電機(jī)的運(yùn)行性能，尤其是對轉(zhuǎn)矩脈動與轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮要進(jìn)行更深入的研究。 |
