维普资讯 http://www.cqvip.com 设计 斩 ．… （；孟…Ｉ¨…………………………………………………………＿．＿ ： ． 微持电棚 ２０Ｏ７年第５期 ………． ． …．． 无轴承开关磁阻电机的功率变换器研究 范冬，邓智泉，杨钢，曹 鑫，王晓琳 （南京航空航天大学，江苏南京２１００１６） 摘要：无轴承开关磁阻电机结构简单、运行效率高、容错能力强，具有良好的高温和高速适应性。介绍了无轴 承开关磁阻电机的悬浮原理和系统构成，简要分析了其控制策略。根据其控制特点，设计了主绕组和悬浮绕组功率 电路拓扑结构，通过实验样机验证了功率电路的可靠性。 关键词：无轴承；开关磁阻电机；功率变换器 ・ 中图分类号：ＴＭ３５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－７０１８（２００７）０５—００１０—０３ Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｏｆ Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍａｃｈｉｎｅ ＦＡＮ Ｄｏｎｇ，Ｄ肌ｒＧ —ｑｕａｎ， ⅣＧ Ｇ０ ，ＣＡＯ ｎ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ一 （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１￣１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍａｃｈｉｎｅｓ（ＢＳＲＭ）ｗｅｒｅ ｓｉｍｐｌｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉ ｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｆａｉｌ ｓａｆｅ，ｉｔ ｗａｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｒｕｎｎｉｎｇ ａｔ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｄｉｎｇ，ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ａｒｅ ｉｎｔｒｏ。 ｄｕｃｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ＢＳＲＭ，ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｗｉｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓ；ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍａｃｈｉｎｅｓ；ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ 气隙２ １引 言 开关磁阻电机结构简单、坚固，具有成本低、工 作可靠、控制灵活、运行效率高、容错能力强等诸多 优点。在开关磁阻电机中应用无轴承技术，既保持 了开关磁阻电机的优点，又具有无轴承电机的高速 适应性。由于把磁轴承中的悬浮控制绕组叠绕在电 机定子中，使两者磁场合成一体，轴向长度大幅度减 小，轴承固有刚度大，可突破大功率和超高转速的限 图１径向悬浮力产生原理 亡 制，拓宽了开关磁阻电机的应用领域。 联绕在相对的两个定子齿上，Ｎ 结构类似于Ｎ 。， 在无轴承开关磁阻电机的控制中，既要实现电 只是在空间位置上相差９０。。当主绕组Ｎ 通以图 机的旋转，又要实现电机的稳定悬浮，需要两套绕 示方向的电流后，产生实线所示的四极磁通，在转子 组，即主绕组和悬浮绕组来完成。基于其控制特点， 不偏心的情况下，气隙１处和气隙２处的磁通密度 设计了无轴承开关磁阻电机的主、悬浮绕组功率电 相同；当悬浮绕组Ｎ 通以图示方向的电流后，产生 路。最后，在实验样机上验证了功率电路。 虚线所示的两极磁通，气隙２处气隙磁密增强，而气 ２无轴承开关磁阻电机原理与系统构成 隙１处磁密减弱，导致气隙２处的磁密大于气隙１ 处的磁密，转子受到向左的偏心磁拉力而向左运动。 ２．１悬浮原理 当改变悬浮绕组Ｎ 中的电流方向时，转子将受到 图１为１２／８极结构的无轴承开关磁阻电机轴 向右的偏心磁拉力而向右运动。 方向的力由主绕 向剖面图。绕组分 、 、Ｃ三相，每相四极。每相均 组和悬浮绕组Ｎ 中的电流共同作用来产生。 包含一套主绕组，两套悬浮绕组。 ２．２系统构成 以Ａ相为例说明径向悬浮力的产生机理。主 无轴承开关磁阻电机系统硬件主要包括：无轴 绕组Ｎ 由四段线圈串联绕在 相四个定子齿上， 承开关磁阻电机本体、主绕组、悬浮绕组功率电路及 连接方式如图１所示。悬浮绕组Ｎ 由两段线圈串 驱动电路、ＤＳＰ数字控制器、ＣＰＬＤ逻辑控制器、ＰＩＤ 调节单元、信号调理电路、过压过流保护电路、传感 收稿日期：２００６一ｏ８—２３ 器和相关辅助电源。其系统框图如图２所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com … 堕壁 …２…ＯＯ７ ｊ ……………………………………… ａ悬阐无 绕组ｌ 轴 承 … 向，一方面与主绕组电流大小和方向有关，另一方面 还和悬浮绕组电流的大小和方向有关。从方便控制 电机的角度出发，在保持主绕组电流方向不变的前 提下，通过调节悬浮绕组电流的大小和方向，控制主 绕组电流的大小来实现对悬浮力的大小和方向的控 制。因此，主绕组电流大小变化，方向不变，与普通 开关磁阻电机绕组中的电流特点相似。 选用普通开关磁阻电机基本的功率变换器之 ｊｉ｝ 幂 癌… 愿卜 位置检测逻辑电路 一堕 曩 图２无轴承开关磁阻电机硬件系统框图 圜 导 ３功率电路设计 分析无轴承开关磁阻电机的悬浮原理可知，电 机转子悬浮是通过给悬浮绕组通电改变主绕组产生 的磁场，使气隙的磁场分布不均匀，从而产生悬浮 力。主绕组一方面产生旋转转矩，使电机旋转；另一 方面提供产生悬浮力的偏置磁场，通过与悬浮绕组 产生的控制磁场相互作用产生麦克斯韦力，使转轴 悬浮。无轴承开关磁阻电机系统中的功率电路是向 绕组提供能量的单元，其要求与普通开关磁阻电机 功率变换器有相似之处也有不同的地方。下面分别 介绍主绕组和悬浮绕组功率电路。 ３．１主绕组功率电路设计 根据无轴承开关磁阻电机数学模型，可以推导 出径向悬浮力的数学表达式＿３ Ｊ： Ｆ ＝Ｋｎ（ ）／’＇ｍａｉ １ （１） ＝ （ ）ｉｍａｉ （２） 其中系数 （０）、Ｋｆ２（０）分别为： ’Ｋｎ（０） ０ｆｒ『 Ｏｔｔｏ ＋ ４（２ｒ ｌ ０。ｌ＋Ｚ ）ｌ ０。１ １ 耵ｒｚ ｌ ０。ｌ ｚｇＤ＋ｒｚ （耵＋２）ｌ ０。ｌ＋２ｚ （３） （ ）一 Ⅳ ｌ【 ｒ（订一１２ １ｌ ２／０￣ １）ｌ ０。 ２ 一了一＋ ｏ ￡ｇＤ ４（２ｒ ｆ ０。ｆ＋ ） １ 耵ｒ２ ｌ ０。ｌ ２＋ｒｌ妒（耵＋２）ｌ ０。ｌ＋２ｚ Ｊ （４） 式中：一 ≤ ≤ ； Ⅳ ——主绕组匝数； Ⅳ ——悬浮绕组匝数 ０——磁导率； ｚ——定、转子轴向叠片长度； ，——转子极弧半径； ｚ ——气隙长度。 上述均为电机参数。 根据数学表达式，可以看出悬浮力的大小与方 一：不对称半桥变换器作为主绕组的功率变换器，如 图３所示。图３中Ａｍ、Ｂｍ、ｃ 分别代表无轴承开关 霉 磁阻电机的三相Ａ、 、 Ｃ主绕组，Ｄ ～Ｄ 是主 葺 开关管关断后，用来续 流的二极管，Ｔ 、Ｔ２是 Ａ相主绕组的开关管， 图３主绕组功率电路 霉 Ｔ３、Ｔ４是 相主绕组的开关管，Ｔ 、Ｔ６是ｃ相主绕组 的开关管。此功率电路中，各相独立控制。主绕组 电流方向固定，可以通过控制开关管的开通和关断， 来调节主绕组电流的大小。 根据设计要求，在主绕组功率变换器中，主开关 管选用ＡＰＴ５ＯＩＯＬＦＬＬ。其耐压５００ Ｖ，最大允许电 流４６ Ａ。在标准测试条件下，开通延迟时间１１ ｎｓ， 关断延迟时间２５ ｎｓ，上升时间１５ ｎｓ，下降时间３ ｎｓ。快速软恢复整流二极管选用８０ＥＰＦ０６，其耐压 ６００ Ｖ，最大允许平均电流８０ Ａ。 ３．２悬浮绕组功率电路设计 当主绕组电流一定时，通过控制悬浮绕组电流 就可控制径向悬浮力。为实现稳定悬浮，悬浮绕组 功率逆变器必须能提供大小可调、方向可变的电流。 综合考虑电路特点及悬浮绕组功率电路要求，功率 电路拓扑采用三相四桥臂电路，如图４所示。图４ 中Ａ 、Ｂ 、ｃ 分别代表无轴承开关磁阻发电机的三 相悬浮绕组，Ｄ ～Ｄ 是开关管ＭＯＳＦＥＴ反向并联的 二极管，Ｔ１、Ｔ２是公共桥臂的开关管，Ｔ ～ＴＲ是三相 桥臂的开关管。 瞽 的 图４悬浮绕组功率逆变器电路 根据公式计算及电机的参数设计，ＭＯＳＦＥＴ管 銎 选用ＡＰＴ５０１４ＢＦＬ，其耐压５００ Ｖ，最大允许电流３５ ：器 蒺 Ａ。在标准测试条件下，开通延迟时间１１ ｎｓ，关断 ｉ要 延迟时间２３ ｎｓ，上升时间６ ｎｓ，下降时间３ ｎ８。开 关管ＭＯＳＦＥＴ并联的反向二极管选用６０ＣＰＦ０６，其 耐压６００ Ｖ，最大允许平均电流６ｏ Ａ。 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 设计 新 一 ／ｒ 岛咖 略 ． ．……．…．…………………………………………………………一 ……………… ： … ：一一 Ｉ皈持电棚 ２帅７年第５期 ３．３驱动隔离电路设计 为了保证绕组功率的电路正常工作，根据功率 ４功率电路实验 基于上述的无轴承开关磁阻电机主、悬浮绕组 电路的要求正确选择和设计ＭＯＳＦＥＴ管的驱动电 路十分重要。驱动电路的基本功能有：主电路与控 制电路的电隔离；保证器件的开关性能；较强的抗干 功率电路及驱动电路设计方案，在原理样机上进行 了实验。图６为在给定转速３ ２００ ｒ／ｍｉｎ空载情况 下， ，／３正方向位移波形（分别为通道１、２）。在此 转速下， 方向的径向位移小于５０ ｍ， 方向的径 向位移小于６０ ｔｘｍ。图７为主绕组ｃ、Ｂ两相（分别 为通道１、２）的电流波形，图８为悬浮绕组Ｏｔ和 的 Ａ相（通道１和２）在此转速下的电流波形。 扰能力；短的信号传输延迟时间；可靠的保护功能。 根据尽量减少隔离、驱动芯片的开通延迟时问、 开通上升时间、关断下降时问等要求，选用驱动芯片 ＩＸＤＤ４０９ＰＩ、高速光耦６Ｎ１３７组成驱动隔离电路，如 图５所示。 ＋Ⅳ 从实验结果来看，主绕组和悬浮绕组功率逆变 器能够满足电机控制的要求，径向位移跳动较小。 在稳定悬浮时，电机转轴与辅助轴承脱离接触，辅助 轴承静止不动。 图５ ＭＯＳＦＥＴ驱动隔离电路 ４－ 釉０耨 鬣 ０§辫≮ 劫§ 《 ？ ≮≮一夸 哆 ｐ地 ． ？ ｊｊ～ ： ｊ ＿ ｌ¨ｌ ｌ图６ Ｏ／，／３方向位移波形 ■ ｍ 图７主绕组Ｃ、Ｂ相电流波形 图８悬浮绕组Ｏ／和 的Ａ相电流波形 ［２］Ｔａｋｅｍｏｔｏ Ｍ，Ｃｈｉｂａ Ａ，Ａｋａｇｉ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｒａｄｉａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ａ ５结语 ｂｅａｒｉ“ １ ｓ ｓｗｉｌｃｈｅｄ ｒｅ１ｕｃｔ ｍ０ｌ０ｒ０ＩｌｅｍＩｉ｜１ｇ ｉｎ ａ ｒｅｇｉ０｜１０ｆ ｍａｇ． 。，根据无轴承开关磁阻电机的控制特点，主、悬浮 三相四桥臂电路。电机实验系统运行的结果证实了 本文所设计的功率电路是行之有效的，为下一步的 一实验打下了良好的基础。 ｕｒａｔｉｏｎｓａｔＩＥＥＥ Ｔｍ ・ｋｄｕ Ａ ， ００ ， 。 －ｌ０４～１１２ 绕组的功率电路分别采用不对称半桥变换器电路和 ［３］张媛邓智泉．无轴承开关磁阻电机控制系统的设计与实现 ［Ｊ］．航空学报，２００６，２７（１）：７７ ８１ 作者简介：范冬（１９８２一），男，硕士研究生，研究领域为无轴承开 参考 ［１］Ｔａｋｅｍｏｔｏ Ｍ，Ｓｕｚｕｋｉ Ｈ，Ｃｈｉｂａ Ａ ｅｔ ａ１．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｂｅａｒ－ ： ÷ 。 Ｉ ｇ 。 ｜ ｉｎｇｌｅｓｓ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉ－ ｃａｔｉｏｎ，２００１，３７（１）：２６—３４ 蟊 （上接第９页） 奔ｉ ５结论 关！ 参考文献 ［１］刘卫国，马瑞卿．有限转角无刷力矩电机设计方法研究［Ｊ］．西 北工业大学学报，２００２，２０（４）：５１５～５１８ ［２］姚晓先，林凡．力矩马达特性试验方法研究［Ｊ］．实验技术与管 理．１９９９，１６（１）：１７～２Ｏ 謦！ 在反馈簧片的弹性范围内，角位移与转矩应成 电 正比＿４ Ｊ，由于通过线圈的电流与转矩成正比，所以 ｉ理论上位移传感器测得的角位移应与电流成线性关 ［３］方培生，郑建标，谢胜利．螺管型电感传感器的研制与应用 ［Ｊ］．传感器技术学报，２００２，（３）：２７０～２７２ ［４］ 余先涛．汽车扭力杆预扭强化系统设计［Ｊ］．武汉汽车工业大 学学报，２０００，２２（２）：１５～１８ ：系。图５可以看出电流和角位移的关系近似为一条 娈 直线，与实际情况吻合，进程直线和回程直线不重 幕；合，是由于存在迟滞的原因。 罢ｉ 应用电感式位移传感器测量只需测出某一电流 对应的位移值，免去了显微镜读数的麻烦，克服了传 傅浩（１９７８一），男，硕士，主要从事工艺自动化及检测技术的研 曩现测量自动化统测量方法的不足。本测量方法操作方便，易于实 。