周凤争,孟庆霖,孟峥峥,王浩鸣,朱晓辉

(1. 国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384; 2. 国网天津市电力公司审计部，天津 300010)

0 引 言

高速永磁无刷直流电机具有功率密度高、体积小、效率高等优点，在很多领域有着广泛的应用，例如，核材料的离心分离装置、高速陀螺仪、旋转储能装置、高速电动工具以及电动涡轮增压器等。

转子充磁方式和支撑结构动力学分析是高速永磁无刷直流电机设计的主要问题之一[1-2]。对于高速永磁无刷直流电机来说，转子永磁体通常采用面贴式结构，气隙磁场和齿槽转矩均与转子充磁方式有关，本文对平行和径向充磁进行对比研究。文献[4-5]设计了75 kW、60,000 r/min的高速永磁电机，对磁力轴承-转子系统的临界转速进行了计算。电磁轴承需要非常复杂的控制系统，轴承本身的体积可能比电机大得多，且长期的可靠性(尤其在振动严重的场合)难以保障。空气轴承结构稍微简单一些，但需要压缩空气，整个系统体积很大，耗能较多。为满足长期工作的可靠性，本文采用精密滚珠轴承支撑转子运行，设计两种不同结构的转子，即单端式支撑结构和两端式支撑结构，并对两种结构进行了转子动力学分析，并通过了试验论证。

1 转子永磁体充磁方式的对比研究

本文优化设计了2.3 kW、150000 r/min高速永磁无刷直流电机样机，转子永磁体采用面贴式结构，气隙磁场和齿槽转矩均受磁钢充磁方式的影响，对平行和径向(也称辐射)两种充磁方式做对比研究。

1.1 气隙磁场波形及幅值

平行充磁和径向充磁在磁瓦生产过程中都很常用。图1为高速永磁电机转子2极磁瓦在不同充磁方式下所得的气隙磁场分布波形。采用平行充磁时气隙磁场呈正弦分布，径向充磁时气隙磁场接近梯形波分布。经傅里叶分解，径向充磁的气隙磁场基波分量是平行充磁的107.1%，3次、5次和7次谐波分别是其基波的22.3%、9.5%和1.4%。径向充磁和平行充磁相比，虽然能将基波气隙磁场提高7.1%，但是气隙磁场中含有大量谐波分量。

图1 不同充磁方式下的气隙磁场

1.2 齿槽转矩

齿槽转矩是评价永磁无刷电机性能的重要指标。通常情况下，若气隙磁场趋向正弦分布，则齿槽转矩就比较小，这是多极永磁无刷交流伺服电机采用Halbach磁钢的重要原因。在两极电机中，若180°磁瓦采用平行充磁，则气隙磁场就是正弦分布。通过采用平行充磁能有效降低齿槽转矩，图2的有元分析结果就证明了这一点，和平行充磁相比，径向充磁的齿槽转矩峰值为4 mNm，而平行充磁的齿槽转矩几乎可以忽略不计。

图2 平行和径向充磁方式下齿槽转矩的比较

2 转子支撑结构的动力学分析

转子支撑结构和动力学分析是高速永磁无刷直流电机的主要问题之一。本文采用精密的滚珠轴承，根据轴承与转子重心的位置不同，设计制作了两种不同结构的转子，即单端式支撑结构(即：轴承位于转子重心的一侧)和两端式支撑结构(即：轴承位于转子重心的两侧)，如图3和图4所示，并对两种结构进行了转子动力学分析。

图3 单端式支撑结构

图4 两端式支撑结构

采用Ansys有限元软件对图3和图4的转子进行了动力学分析，转轴材料为导磁不锈钢2Cr13，分析结果如图5、图6和表1所示。研究表明：当转子由轴承支撑时，转子会增加两种低频模态：圆柱和圆锥模态，其固有频率都比一阶弯曲模态要低。

图5 单端式轴承支撑转子模态分析

单端式支撑结构转子重心位于图3所示转子的左侧，圆柱模态时，转子的重心侧严重偏离轴心位置，如图5(a)所示，当偏离幅度大于气隙长度时，将导致电机运行失败。单端式支撑结构的轴承集中在转轴一侧，转子长度增加，使得转子的临界频率降低。为了提高临界频率，轴承分别放置在转轴两端，如图4所示。

两端式轴承支撑结构的转子重心位于轴承支撑的中间，和单端式轴承支撑结构不同，圆柱模态和圆锥模态时，转子受轴承约束，偏离轴心幅度很小，只要定转子之间的气隙足够大，转子会很容易的跨过圆柱和圆锥模态。有限元分析结果如图6和表1所示，相比单端式支撑结构，两端式支撑结构大幅提高了转子的临界频率。下面的试验运行也证明了通过把单端式轴承支撑结构改为两端式轴承支撑结构能够提高转子的临界频率，两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100,000 r/min以上。

图6 两端式轴承支撑转子模态分析

模态单端式频率/Hz两端式频率/Hz圆柱模态4692107圆锥模态14662446一阶模态34644752二阶模态593210504

3 高速永磁无刷直流电机的实验研究

考虑到高速永磁无刷直流电机运行的可靠性，设计了基于MC33035无刷直流电机专用控制芯片为核心的控制系统，其基本构成框图如图7所示。

图7 高速永磁无刷直流电机控制系统框图

信号检测主要包括电流和转子位置信号的采集和检测。由于电流霍尔元件输出为电流型信号，经采样电阻转换为电压信号后再经过电容高频滤波输入到MC33035的9号管脚，与15号管脚的0.1 V的电压信号进行比较，进行过流保护。转子位置信号通过电角度互差120°的3个霍尔位置传感器编码得到。霍尔电路板做成电机的端压板，如图8所示。为了减小布线长度，中间的霍尔安装时反向180°。转子永磁体的长度比定子铁芯两端各长2 mm, 抵消永磁体端部漏磁对电机性能的影响以及用于提供霍尔位置传感器所需磁场。

图8 霍尔位置传感器布置图

在设计的高速永磁无刷直流电机实验装置平台上，进行了实验研究。电机绕组反电势波形如图9所示，实际永磁体平行充磁不太理想，反电势波形并不是完美的正弦波，实验波形和仿真计算的反电势波形基本吻合。

图9 绕组反电势波形

单端式支撑结构转子在运行转速达到40,000 r/min以上时，转子保护环和定子齿部发生了摩擦，转子局部损坏如图10所示，发生摩擦后破坏了转子动平衡，导致电机运行失败。两端式支撑结构的转子成功运行到100,000 r/min以上，其电流波形如图11所示。

图10 单端式轴承支撑局部损坏图

图11 电机运行于100,000 r/min的电流波形(10 A/div)

4 结 论

本文对比分析了不同的转子充磁方式和转子支撑结构对气隙磁场、齿槽转矩和转子动力学的影响。采用平行充磁时气隙磁场呈正弦分布，径向充磁时气隙磁场接近梯形波分布。研究表明：平行充磁的气隙磁场中3次、5次和7次谐波分量小，并能有效降低齿槽转矩，因此平行充磁方式优于径向充磁方式。对单端式和两端式支撑结构进行了转子动力学分析，和单端式结构相比，两端式支撑结构能够提高转子的临界频率。本文优化设计了平行充磁和两端式支撑结构的2.3 kW、150000 r/min高速永磁无刷直流电机样机和控制系统并进行了试验论证，试验表明：两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100,000 r/min以上。