永磁型无轴承电机直接悬浮力控制系统设计(3)

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2.1 无轴承电机基本结构

无轴承电机通过在电机定子上安装可以产生径向力的绕组，保证（电机定子绕组产生的磁场极对数）与（径向力绕组产生磁场极对数）之间的关系为，就可以控制可以控制大小方向的径向悬浮力和转距力，示意图如下。两个无轴承电机单元和一个轴向磁轴承即可构成一台完整的无轴承电机，无轴承电机的构成要求一致，电机的无轴承化是是通过磁场定向控制来控制电机的转子稳定悬浮和旋转来实现的。

单是如果电机功率较小，采用下图的设计结构明显把电机复杂化，可采用薄片电机，使得转子半径远远大于转子长度，通过动轴承对转子三个自由度的控制，无轴承电机主动控制其他三个自由度。当转子从平衡位置倾斜或轴向偏移时，则转子收到的反向吸力将使其返回到平衡状态。

2.2 无轴承电机工作原理

传统电机定子和转子中存在着两种类型的电磁力：一种是Maxwell力，另一种是Lorentz力，前者是在磁场作用下，不同介质之间产生的相互作用力，其结果是产生作用在转子上的径向磁拉力，后者之所以能产生电磁转矩，是通过转子电流在旋转磁场的作用下产生的切向力。在无轴承电机中，当转子偏心或气隙内的磁场不均匀时，作用在转子上径向力的合力不为零。通过转子位置的闭环控制，调节该径向力的方向和大小，可以使转子处于中心位置。无轴承电机在电机的定子中放入了两套具有不同极对数的绕组：旋转绕组（极对数）和径向力绕组（极对数）。径向悬浮力控制绕组的引入，打破了电机原旋转磁场的平衡，使得电机气隙中一区域中磁场增强，而对称区域磁场减弱，产生磁张应力—Maxwell力，将指向磁场增强的一方。他们产生不同的旋转磁场，其中 =1， =2 。在转子右侧的气隙内，二极旋转磁场与四极旋转磁场同方向，故转子右侧气隙内德磁感应强度减弱，Maxwell力的合力为指向右方的径向力。二极旋转磁场在转子上方的气隙内增强了四极旋转磁场转子上方气隙内的磁感应强度增加；同理，转子下方气隙内的磁感应强度减小，Maxwell力的合力为指向上方的径向力。利用径向位置负反馈控制，，通过调整二极旋转磁场的大小和方向，使作用在转子上径向力具有正的刚度系数，转子就可以实现悬浮控制。源^自·优尔{文·论[文'网]www.youerw.com

当 = +1，无轴承电机径向力绕组通电后，会受到相同（大小和方向相同）的Maxwell力和Lorentz力，这两个力相加；当 = -1时，则通电所受的力为Maxwell力减去Lorentz力（方向相反）。表达式如下：

径向力绕组通电产生的力分量——

径向力电流刚度 ——

洛伦兹力常数——

麦克斯韦力常数——

转子磁场定向的旋转坐标系中d轴和q轴的电流分量——

另外，依据电磁场理论，电机内还存在和偏心位移成正比的Maxwell力，（电机转子相对于定子偏心时）它是一种固有的力，其表达式为：

为与电机的构造和结构有关的径向力位移刚度。

依据式(2．1)～(2，4)，无轴承电机所受径向悬浮力的公式为

2.3 无轴承永磁电机直接悬浮力控制

传统的无轴承永磁同步电机悬浮力控制是矢量控制，是一种间接控制，通过转子径向位移负反馈得到位移差量经PID调节得到悬浮力的指令值，再经力/电流转换得到悬浮力绕组d、q轴电流分量并采用电流跟踪型逆变器产生悬浮力绕组电流，从而控制电机悬浮力绕组磁链和径向悬浮力。传统的悬浮力矢量控制多过依赖于电机参数以及矢量坐标变换的复杂性使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果：在传统的悬浮力矢量控制中，悬浮力处于开环状态，限制了悬浮力控制的精度和动态响应性能；传统的悬浮力矢量控制采用电流跟踪型逆变器，逆变器开关频率高，逆变器容量的利用率不高。