[发明专利]一种转子轴向交错式无轴承磁通切换电机

说明书

技术领域

本发明涉及无轴承电机领域，尤其涉及一种转子轴向交错式无轴承磁通切换电机。

背景技术

无轴承电机由于不存在机械轴承的接触，因此其定转子完全分离，不存在机械磨损的问题，在半导体工业、生命科学等领域有着特殊的优势。传统的无轴承永磁同步电机永磁体通常安装在转子上，由此导致诸如转子散热条件差，永磁体有热退磁风险等问题。此外对于永磁体表贴式的转子通常需要额外保护措施来保护永磁体在高速的旋转运动下不被离心力破坏，这增加了加工的难度和成本。除此之外，无轴承电机的许多应用场合，例如血泵等，需要电机转子可替换甚至是一次性的来满足高洁净和密封性的要求，而近年来稀土资源日益稀缺，永磁体价格攀升，这无疑大大增加了转子永磁式的无轴承电机替换转子的成本。

由于以上的原因，定子永磁式的无轴承电机更加适合应用于无轴承电机的场合。磁通切换电机由于其较高的转矩密度和较高的反电势正弦度成为了研究的方向。目前无轴承磁通切换电机的研究仍处于起步阶段，奥地利的W.Gruber等人对其研究最为深入，但其电机在结构形状上和普通磁通切换电机并无太大区别，在实现无轴承化后，存在着悬浮电流解算相当复杂的问题，这将大大增加了控制器的负担。另外，当该电机应用于离心泵场合时，其在径向也会承受负载力的作用，此时电机产生恒定悬浮力，而其悬浮绕组中存在着三相悬浮电流并不对称，这会导致绕组发热不均，此外，目前的控制算法需要对三相悬浮电流进行独立控制，因此逆变器需要更多的开关管来满足要求，这也增加了电机功率驱动的成本。

以三相12/10结构无轴承磁通切换电机为例，图1为12/10普通无轴承磁通切换电机示意图。其中U、V、W为转矩绕组，A、B、C为悬浮绕组。其中每相转矩绕组的径向相对的两个线圈正向串联(如图1中U₁、U₂所示)，而每相悬浮绕组的径向相对的两个线圈反相串联(如图1中A₁、A₂所示)。下面以A相为例说明悬浮力产生的原理。当只有A相绕组通入恒定直流电流时，在任意转子位置转子会受到f_n和f_t两个方向悬浮力，如图2所示。为探讨此时径向悬浮力和转子位置的关系，对其做有限元仿真，在绕组电流恒定的情况下，将转子旋转一个电周期(机械角度36°)，可以得到两个悬浮力分量随转子位置的变化特性，如图3所示。f_n与转子电角度θ_e呈正弦变化，f_t与转子电角度θ_e变化则为一条含直流分量的余弦曲线。可将A相绕组在单位电流下产生的悬浮力f_na、f_ta的表达式写为：

其中，a₁、b₁为悬浮力交流分量幅值，b₀为直流分量值。θ_e为转子电角度。

在电机磁路不饱和的情况下，可以认为转子所受径向力的大小和悬浮电流大小成正比，由于转子的悬浮控制基于x和y的方向，又考虑到转子所受悬浮力为三相悬浮绕组电流共同作用下产生，因此可以每相绕组所产生的悬浮力在x，y轴上投影后叠加，如图4所示。因此可将悬浮力的表达式写为：

其中F_x，F_y为x，y方向的悬浮力，f_ta，f_na，f_tb，f_nb，f_tc，f_nc分别为A相、B相、C相绕组投影前在各方向产生的悬浮力。i_a，i_b，i_c为三相悬浮电流的瞬时值。可将式(2)简写为F＝M·i。

根据图5无轴承电机控制的原理框图可以看出，转子悬浮控制的关键在于根据给定的悬浮力来解算给定的电流。因此，需要对给矩阵M求逆。由于矩阵M不满秩，因此可增加约束条件对M求广义逆。若增加铜耗最低的约束条件，可得到如式(3)结果：

K(θ_r)＝M^T(M·M^T)^-1(3)

其中，θ_r为转子的机械角度，K(θ_r)为M的广义逆矩阵。

在这种电流控制方法下，矩阵K(θ_r)形式极其复杂。