摘要：无轴承电机集磁性悬浮与转矩驱动于一体，具有无摩擦、无磨损、无损耗、免维修、寿命长等独特优点，从根本上改变了传统的支承与传动形式：该文介绍一种无轴承绕线型异步电机，通过瞬态有限元分析法(TFEM)计算其径向力和转矩的瞬态响应，结果表明该无轴承电机可以同时产生支承转子重量的稳定径向力与恒定转矩，且其控制电流柏互独立，与鼠笼型转子无轴承异步电机相比前者能够产生更有效的径向力，且转矩不受径向力绕组电流干扰；并在基于svM—DTc的磁悬浮异步电机悬浮子系统独立控制实验平台上加以测试，结果表明该系统能够实现了无轴承绕线型异步电动稳定悬浮。

关键词：无轴承电机；有限元分析法；悬浮控制；径向力

    0 引  言

与机械轴承相比，磁轴承因其无接触、无摩擦、无磨损、无机械噪音等优点，在一些有特殊要求的驱动系统中有很好的应用前景。但是，磁轴承的引入，增加了整个系统的转子长度，降低转子利用率，从而限制了悬浮电机系统的临界转速及功率的提高。无轴承电机使磁轴承与转子驱动系统结合为一体，很好地解决了这一问题。无轴承电机不仪能够产生驱动负载的转矩，同时还能产生使转子悬浮的径向力，有效地缩短转子长度，克服了兹轴承支承电机系统由于转轴过长而存在的转子刚度小、临界转速低等问题。无轴承电机在工业领域有着广泛的应用前景，例如医疗器械、飞轮贮能装置、航空航天、半导体制造业等领域一原则上，无轴承电机可以在普通异步电机、永磁同步电机及磁阻电机上实现。这些不同的无轴承电机系统悬浮机理相同，而转子结构不同。在无轴承笼型异步电机中，悬浮控制电流对运行性能有相当火影响。为了减小这种影响，近年来，作者从电磁场的角度出发研究无轴承异步电机：在绕线型异步电机基础上实现无轴承技术——无轴承绕线型异步电机。

    本文采用有限元分析法计算旋转电机径向悬浮力与转矩的瞬态响应，并对一台样机进行了数字平台的控制实验，结果表明，绕线转子无轴承异步电机与笼型转子的无轴承异步电机相比，在同样条件下能够产生更有效地径向力，并且径向力与转矩的控制之间能够实现自然解耦。

    1  工作原理

在无轴承电机中，径向力是由于电磁场的不均匀分布产生的。研究表明，在同定子槽中，叠绕两组极对数不同的线罔，其极对数分别为P，p!，当p=P2±1时，它们产生的磁场叠加产生可控径向力。对于无轴承电机而言，当p1=P2+1时，径向力模型在旋转坐标系下的表示为：

    K为悬浮系数，i2d，i2q为悬浮控制绕组电流的d，q轴分量，ψ1d，ψq为定子磁链的d，q轴分量。

    可见，无轴承电机是一个非线性、强耦合的复杂系统，转矩控制与悬浮控制两系统之问存在耦合量ψ1．(定子磁链)。在其运行控制中，磁链信息的计算与传递直接关系到控制效果，必然增加控制系统的复杂性。在无轴承电机中，最重要的就足使运行性能与悬浮性能互不影响。本文介绍的无轴承绕线型异步电机，转子绕组与转矩绕组的极对数相同，转子巾的感生电流不影响悬浮力磁场，这样，悬浮力磁场就只产生使转子悬浮的径向力。

    无轴承绕线型异步电机的绕组结构如图1所示。

转矩绕组和转子绕数极对数相同为

    1．悬浮力绕组极列数为2。悬浮力绕组与转矩绕组通人频率相同的电流，这样可产生两个转速不同的旋转磁场，这两个磁场叠加就会产生一个支撑转子重量的町控径向力。转子感生电流产生的转子磁场对称分布．以同步转速旋转，加强了径向力；同时，转矩只能巾2极转矩磁场和转子的2极感生电流相互作用产生。

    由于转子磁场与悬浮磁场的极对数不同，所以悬浮力磁场不产生转矩。

    2径向力与转矩的瞬态有限元分析

    2．1有限元方法瞬态有限元分析方法

以对象为导向，主要用于电机分析，是国际上公认的比较精确的电磁场分析方法，可以作为“数值模拟试验平台”仿真冉试验系统无法测试到的数据。使用该软件建立二维旋转电机系统模型，然后通过矢量电压逼近法分析电磁场，进而汁算相应的径向力与转矩的瞬态响应。

    由于无轴承异步电机中的电流沿。方向流动，所以磁动势A中只有一个非O分量AZ，这是一个关于x，y的方程。所以，用_二维电机模型就足以计算出电机内部的电磁场。如果计算中考虑到铁心长度，计算结果就与实际三维电机模型完全相同。图2为瞬态有限元分析的瞬时磁场矢量分布结果。无轴承电机特点存在于其自身同时产生转矩与悬浮力，另外，异步电机中的旋转磁场无法通过静态计算得出。鉴于此，需要通过对旋转转子进行瞬态计算来仿真这一过程。通过瞬态有限元分析方法可以在时间和转子位置同时变化的情况下，计算径向力和转矩。

瞬态有限元分析的实现方法及瞬态与静态有限元分析方法的区别在文献[5]中由详尽介绍。图2所示为不同时间不同转子位置的相应瞬态电压矢量分布。显而易见，电机的内部耦合磁场是旋转的，并且呈不均匀分布。

    3与鼠笼型电机的比较

    3．1径向力分析在无轴承异步电机中，由于不同的转子结构鼠笼式结构和4极绕线型转子结构，使其产生的徭向力有较大差异。图3显示了两种不同转子结构贞轴承异步电机径向力的瞬态响应。t= O s时，转矩绕组通人电流，无径向力产生；t=0．1 s时，悬浮绕组通人悬浮电流，产生径向力。

    在无轴承笼型异步电机，感生转子电流不仅产生2极转矩磁场，也能产生4极悬浮磁场。这两个磁场的叠加形成不对称磁场补偿了由转矩绕组和悬浮力绕组形成的不对称磁场，削弱了径向力。

    相反，在_尢轴承绕线型异步电机中，转子绕缍与转矩绕组有相同的极对数。感生转子电流对建立与转矩磁场相同极对数的均匀磁场起到抑制作用，增强气隙磁场的不均匀分布，这样会产生更大的径向力。

    瞬态有限元分析结果也说明无轴承绕线型异步电机能够比无轴承笼型异步电机产生更有效的径向力。

    3．2转矩分析

电机转矩同样受转子结构的影响。图4为两种不同转子结构电机的有限元分析转矩的瞬态响应。

    无轴承绕线型异步电机产牛一个独立于悬浮电流的恒定转矩，而无轴承笼型异步电机的悬浮电流对转矩有增大作用。

    无轴承笼型异步电的感生转子电流不仅产生2极磁场，还产生一个4极磁场。4极磁场与悬浮磁场相互作用产生另外一个转矩分量。这样，无轴承笼型异步电机巾的转矩包括阿个成分：一个由转矩电流产生，另一个由悬浮电流产生，这样使转矩大小也由悬浮电流决定，再次证明该结构的无轴承异步电机是一个强耦合系统，致使设计控制系统时不得不考虑两套定子绕组电流之间的解耦关系。

    相反，在无轴承绕线型异步电机中，转矩只能由2极转矩磁场与2极感生转子电流相互作用产生。因为转子磁场与悬浮磁场有不同的极对数，故转矩不受悬浮力磁场的影响，实现了绕线转子无轴承异步电机的自然解耦，从而简化控制系统。

    4控制系统

    4．1驱动控制

    在无轴承绕线型异步电机中，转矩不受悬浮电流的影响。所以，悬浮控制与转矩控制互不影响。对转矩控制，本文采用高速性能优良、计算周期短且结构简单的基于空间电压矢量调节的直接转据控制(sVM—DTc)。图5所示为异步电机的直接转矩控制系统，通过3／2变换把静止坐标系中的三相电流转化为两相旋转坐标系的二相电流，并且引入具有解耦功能的通量模型，使异步电机的控制系统类似于直流电机。控制系统将电机给定转速和实际转速的误差，经调节器输出给定转矩信号；同时系统根据检测的电机二相电流和电压值，利用磁链模型和转矩模型分别计算电机的磁链和转矩大小，计算电机转子的圆周位置、电机给定磁链和转矩与实际值的误差；然后根据它们的状态选择逆变器的开关矢量，使电机能按控制要求调节输出转矩，最后达到调速的目的。

    4．2悬浮控制

在本文中的无轴承绕线型异步电机中，径向力由2极磁场和4极磁场叠加产生。4极磁场由悬浮电流建立。空载时，电机内部只有一个2极转矩磁场。

    负载情况下电机内部有两个4极磁场：转矩磁场和转子磁场，这两个磁场叠加将产生从空载状态到负载状态转变的应变动力。对于转子的特殊位置，在2极磁场基础上，相应调节4极磁场，径向力总能补偿转轴质量。根据这个原理，设计了一种控制系统，该系统含有不完全解耦驱动与悬浮控制，可以同时控制电机转据与径向力。图6所示为该驱动与悬浮控制系统。一方面，悬浮控制依赖驱动系统负载情况。径向力随驱动电流与转子偏心状况而变化。

    通过解耦模块与径向力转换器，可以控制径向力补偿整个控制系统的转子质量，从而调节转子位置回到定子中心。另一方面，悬浮控制系统对驱动控制没有影响．

    5实验研究

图7给出了电机转子的径向位移波形，电机转子的径向****位移为O．06 mm(电机的单边气隙为0.25 mm)，图8为转矩绕组给定转矩与反馈转矩。

 

    由此可以得出，基于svM—DTc的磁悬浮异步电机悬浮子系统独立控制方案，能实现绕线型无轴承异步电机的稳定悬浮。