方 超，贾红云，袁安富，顾冬霞

(南京信息工程大学，南京210044)

0 引 言

无轴承电机具有无摩擦、无污染、无需润滑、高速度、寿命长等优点，为新型电气传动领域提供研究方向［1］。长期以来，国内外学者研究的无轴承电机结构主要有无轴承感应电机、无轴承开关磁阻电机、无轴承永磁同步电机等，但是无轴承感应电机存在悬浮力与转矩难以解耦，转速易受到悬浮力干扰，电机效率较低的缺点;无轴承开关磁阻电机虽然结构简单、鲁棒性好，但功率密度小、效率低等特点严重制约了电机性能的进一步提高;无轴承永磁同步电机因其运行可靠、体积小、高效率、高功率密度等优势，在飞轮储能、航空航天、化工等领域具有很好的应用前景。但是传统的无轴承永磁同步电机永磁体通常贴装于转子表面或内嵌于转子，破坏了转子结构的完整性，为此防止电机高速旋转时磁钢受到离心力影响而脱落，在转子上都装有不锈钢或金属纤维材料制作的保护装置，冷却条件差而温升导致以钕铁硼为主的磁性材料性能下降，严重时甚至发生不可逆退磁、限制电机出力、减少功率密度等问题［2-4］。

为解决上述问题，近几年提出了几种新型的定子永磁型电机，即将永磁体置于定子，如磁通切换永磁电机(以下简称FSPM)［5］、双凸极永磁电机(以下简称DSPM)［6］、磁通反向永磁电机(以下简称FRPM)［7］等，由于结构简单，转子上既无永磁体又无绕组，此类电机适合高速运行。在此基础上我们提出了一种永磁体位于定子的新型无轴承磁通切换永磁(BFSPM)电机，本文详细阐述了新型无轴承电机拓扑结构和径向力产生原理，并通过有限元分析了电机电磁特性，验证了电机的结构正确性。

1 电机结构

图1 电机结构示意图

提出的12/10 极BFSPM 电机的拓扑结构如图1所示。定子极除了电枢绕组之外，还引入了X，Y 轴方向的悬浮绕组，并一同叠压在定子槽内。电枢绕组是由每4 个线圈串联成一相绕组以构成A，B，C三相，Px1，Px2，Px3三套悬浮绕组串联构成X 轴正方向悬浮绕组，而Px4，Px5，Px6构成X 轴负方向悬浮绕组，Y 轴悬浮绕组连接方式同理。电机正常工作时电枢绕组产生转矩而悬浮绕组产生X，Y 径向悬浮力以实现转子稳定悬浮;定、转子皆由硅钢片叠压而成，且为双凸极结构;永磁体内嵌于定子轭部采用切向交替充磁。

2 径向悬浮力产生原理

本文提出的BFSPM 电机径向力产生原理与传统无轴承电机原理相似，即通过定子上加载悬浮绕组打破原电机旋转磁场平衡，使得电机气隙某一区域磁场增强，而相对称的区域气隙磁场减弱，从而利用不对称磁场产生麦克斯韦力大小和方向来实现电机稳定悬浮［8］。

图2 径向悬浮力产生原理图

如图2 所示，通过控制X 方向悬浮绕组中电流大小和方向来控制X 方向的径向力大小和方向。当悬浮绕组未通入电流时，此时电机完全可视为FSPM 电机来运行，由于结构、气隙磁密完全对称，径向力受力平衡，此时在麦克斯韦力作用下转子处于中心位置，当发生转子偏心时就可以通过控制X，Y 轴方向悬浮绕组电流大小来控制径向位移。本文以X 轴方向悬浮绕组Px2，Px5为例来分析径向力产生原理。X 轴方向的径向力产生原理如图2 所示，永磁体产生主磁场，磁力线如图中粗线所示;悬浮绕组产生径向力控制磁场，磁力线如图中虚线所示;表示X 轴方向通入的悬浮电流。当给悬浮绕组Px2，Px5通入电流，根据“磁阻最小原理”，磁通沿着磁阻最小的路径闭合组成回路，即在气隙1 处永磁磁场与悬浮磁场方向相同，磁场增强;在气隙2 处永磁磁场与悬浮磁场方向相反，磁场减弱，从而导致电机两边气隙磁场明显不平衡，产生如图2 所示的X方向的径向悬浮力Fx，通过控制通入的悬浮电流大小和方向来控制悬浮力的大小和方向。

3 有限元分析

3.1 永磁磁链和反电动势特性

BFSPM 电机每相绕组有4 个转矩绕组，例如A1，A2，A3，A4，由于每套线圈绕组具有互补性，使每相永磁磁链和反电动势具有很好的正弦性，且每相之间互差120°，如图3、图4 所示。

图4 空载反电动势

3.2 磁通密度分布

BFSPM 电机初始角θr=0°位置定义如图5 所示。如图6(a)所示是θr=0°磁力线分布图，此时X，Y 轴方向悬浮绕组均未通入电流，只有永磁体单独作用，相邻两块永磁体产生的磁通穿过气隙进入转子齿，转子未偏心时，麦克斯韦力对称分布，合力为零。如图6(b)所示为相同转子位置通入X 轴方向悬浮绕组电流时磁力线分布图，此时悬浮绕组产生的磁场打破了永磁体产生的主磁场平衡，X 轴正方向的磁场增强，X 轴负方向的磁场减弱，而由于Y轴方向未通入悬浮电流，Y 轴正负方向磁场平衡，因此转子受到X 方向的悬浮力Fx。

图6 磁力线分布图

径向气隙磁密曲线进一步验证了无轴承电机径向悬浮力原理，图7(a)为未通入悬浮电流时气隙圆周的径向气隙磁密分布，由于结构的完全对称性，把图7(a)曲线左移180°与原来曲线完全重合。图7(b)为通入X 轴方向悬浮绕组电流时气隙磁密分布图，此时曲线左移180°，X 轴正方向径向气隙磁密明显大于X 轴负方向，而Y 轴正负方向径向气隙磁密完全对称，因此产生如图2 所示的X 方向的径向悬浮力Fx，因此有限元分析结果与径向悬浮力原理产生吻合。

图7 径向气隙磁密分布图

3.3 径向悬浮力

图8 为悬浮力随转子位置的变化曲线，其中F是转子所受的合力;Fx，Fy分别是X，Y 轴方向的径向力。此时悬浮绕组通入1 A 电流，由图8 可见，Fy随着位置变化很小，并且Fy的值都在零附近波动，相比于Fx可以忽略不计［9］，此外合力F 曲线几乎与Fx重合，并且方向随着转子位置变化很小而只与加载电流方向相关。这是本文所提出的BFSPM 电机一个最明显优点，它与无轴承开关磁阻电机截然不同，无轴承开关磁阻电机径向力会随着转子极与定子极重叠区域的增大而增大，并且合力也会随着定转子极重叠区轴线方向变化而变化［10］。为了分析悬浮电流对径向力的影响，利用有限元计算了径向悬浮力随电流大小变化的曲线，如图9 所示，由图9 可见，径向力随着绕组电流的增加而增大。

图9 径向力随电流的变化曲线

3.4 电磁转矩

通过有限元计算出BFSPM 电机的转矩输出特性，图10 为通入5 A 电枢电流时不同转子位置的电磁转矩计算结果。由图10 可见，电磁转矩在4 N·m 附近波动。

图10 电磁转矩波形

4 结 语

本文提出一种新型的定子12 极、转子10 极的BFSPM 电机，详细阐述了其结构特点和径向力产生机理，通过有限元建模仿真分析了磁场分布、气隙磁密、径向力、转矩等特性验证了结构和原理的可行性，为无轴承电机的进一步研究提供了理论基础。

［1］ 朱熀秋，张涛.无轴承永磁同步电机有限元分析［J］.中国电机工程学报，2006，26(3):136 -140.

［2］ 严欣平.无轴承永磁同步电机电磁设计与控制策略研究［D］.重庆:重庆大学，2008.

［3］ 孙晓东，陈龙，杨泽斌，等.无轴承永磁同步电机电感特性分析［J］.西南交通大学学报，2013，48(6):1059 -1065.

［4］ 曹鑫，邓智泉，杨钢，等.一种无轴承开关磁阻电机独立控制策略［J］.中国电机工程学报，2008，28(24):94 -100.

［5］ 朱瑛，程明，花为，等.磁通切换永磁电机的空间矢量脉宽调制控制［J］.电机与控制学报，2010，14(3):45 -50.

［6］ CHENG M，CHAU K T，CHAN C C.Static characteristics of a new doubly salient permanent magnet motor［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2001，16(1):20 -25.

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