在无轴承无刷直流电动机的结构中用以提高悬浮力的
绕组的安排
朱明一 车辆1072班 1071504235
本文将抽象介绍一种新的缠绕布置用来增加无刷直流电动机结构的发动机的悬浮力。磁悬浮驱动技术适用于传统的无刷直流电机和电机结构，提出其原理及转子悬浮力产生的悬架控制策略。有限元方法（FEM）来分析机器和控制战略在稳定支持转子方面的发展。无刷直流电动机轴承结构的悬浮力比具有完全音调绕组的永久磁铁同步电动机的机械波要小。这是因为悬浮力所产生的气隙磁通密度以及在无刷直流电动机中气隙磁通密度不平衡。在本文中作为例子，一个24槽16极无轴承无刷直流电动机是一个突出点，它提出了清盘增加悬浮力。该悬浮力可通过有限元计算。相比与传统的传送器，增加的悬浮力已经得到证实。
从计算结果可以看出，建议在同等尺寸的电机悬浮力的条件下增加绕组。
1 引言
无刷直流电动机广泛用于家电和电脑设备，如硬盘驱动器和光盘驱动器等。机械轴承或陶瓷材料制成的油润滑轴承通常用来支持在无刷直流电动机的轴。在这些方位，这些摩擦系数非常低。然而在这些应用上，高刚度和长生命周期也需要无刷直流电动机。因此，笔者采用了磁悬浮驱动技术的无刷直流电机，以满足这些要求。在无轴承电机上，转子轴是磁力无机械接触所支撑的。电动机和磁性悬浮转子是一个整体的，以便使轴变的更短，逆变器和控制器等得数量较少，因此成本降低了。悬浮绕组与定子绕组电机的核心一起。因为附加的悬架磁通量导致空气隙磁通密度是不平衡的。结果产生了悬浮力。这个概念可以应用于传统电机，即永磁同步，异步和开关磁阻等[1] - [4]几种类型。因此，一个具有无刷直流电动机轴承的结构由作者提出。新一代的悬浮力和悬浮控制的原则已提出[5] [6]。它证实了有限元模型，采用有限元计算结果的转子可以成功地通过该控制策略磁浮。
在无轴承无刷直流电动机里，在相同的发动机的大小的条件下，悬浮力要比在无轴承永磁同步电动机小（具有完全的音调结束）。这是因为悬浮力是在气隙磁通密度的不平衡产生的; 然而，在无轴承无刷直流电动机中那些气隙磁通密度不平衡的地方使狭窄的。如果槽面积扩大，原来悬挂的倒闭数量增加，增加悬浮力，那么增加无轴承电机的外径是不可取。
因此，本文提出了一种在无轴承无刷直流电动机上增加悬浮力的清盘安排，作为一个例子，一个24槽16极无轴承无刷直流电动机绕组描述和建议的详细安排所示。对停牌的磁悬浮力的产生和控制方法原理也进行了介绍。转动力矩和悬浮力通过有限元法计算。与传统绕线安排相比，增加的悬浮力是由计算结果进行验证的。拟议在平等电机尺寸和发动机性能的前提下，清盘安排被证明对增加有效悬浮力是有影响的。
2 24槽16极无轴承无刷直流电动机。
A.绕组安排
图1显示了一个24槽断面16个极无轴承无刷直流电动机。它包括一个24插槽和一个内转子与定子磁极16核心。市政服务安装在转子的核心表面，并在径向方向磁化，如图1所示。 3相电机绕组用U、V和W来表示，用来产生旋转力矩。这些电机绕组短期投（有一个牙齿跨度），24个齿每个都有各自的线圈。电机绕组的建设和分配安排很常见，在更多的无刷直流电动机上常规使用。在定子的核心暂停加伤绕组。悬浮绕组有六部分组成，包括al, a2, bl, b2, cl and c2，这些都是用来产生转子悬浮力的。暂停绕组线圈有一个定子齿间距，位于其它的所有牙齿间。
图1 24槽断面16个极无轴承无刷直流电动机
转子角位置[度] 图2 电机的绕组波形
对面悬挂线圈串联和人造纤维的缠绕，在垂直方向上是机械缠绕到该绕组A2的。绕组的MMF的方向btI 和ctI也分别垂直于B2和C2的。悬浮绕组之间的偏移设置A、B和C是机械60度。
(a) a12 平面 (b) b12平面. (c) c12平面
图3 悬浮力产生平面的定义
B. 电机绕组电流和旋转力矩产生原理
在无轴承无刷直流电动机中，旋转力矩产生的原则是与作为传统的无刷直流电动机相同。3相电机绕组，每8个缺口为一个相位（图1），每两相相位差为120度。市政服务互动，电机绕组的MMF产生力矩。图2显示了一个多绕组0-45度的旋转机械周期（马达电流波形的例子）。就像美国一个传统的无刷直流电动机，V和W电机阶段进行一期120度电。.
C.定义位面和悬浮力的产生原理
在24槽12极无轴承无刷直流电动机中，三相位面的定义来产生悬浮力，如图3所示。为了成功地运作，转子要通过选择一个正确的悬浮绕组上设置一个按照特定平面转
子角位置得到无机械接触的支撑。这是那么兴奋。
图3（a）显示了与Al -和A2轴a12的平面。悬浮绕组al 和a2的人造纤维的方法被定义为在al 和a2轴了。这些都是互相垂直的。如图1所示，al和a2轴对应相应的X和Y轴。
(a) 转子角位置在7.5° (aI2 平面).
(b) 转子角位置在0°(bl2 平面).
图4 悬浮力的产生原理
当悬浮绕组受刺激时，在绕组和a2的开口处，根据气隙齿形的变化，磁通密度变得不平衡。因此在al和a2轴上产生了悬浮力。同样，考虑到al 和a2轴，在60度旋转
图5 控制系统的配置
的bl2平面，悬架力在bl和b2轴发电。对于C12平面，在由120度旋转的C1 和C2
轴产生的悬浮力。利用这三个平面，悬浮力产生如下。
图 4（a）及（b）分别显示了7.5度位置和0度的机械悬浮力产生的原理。密集的箭头显示了空气间隙的变化。在图4（1）中，在7.5度的地方，悬浮绕组al受刺激。在4（1）中，该绕组在气隙产生的磁通方向是由悬浮细箭头图所示。在气息间隔中，由绕组的磁通产生的悬浮方向由细箭头所示。在空气中，机器的两侧间隙的磁通密度是不平衡的。在x轴的正方向悬浮力Fx12被发电。在图4 (b)中，在零度bl 和 b2的悬浮悬浮绕组受刺激。通过基本法励磁绕组，空气隙磁通密度是不平衡的。同样，悬浮力Fb2也是这样产生的。在B1和B2悬浮绕组的电流幅度必须要正确规范以至于合力由于矢量Fbl 和 Fb2求和生成的方向。如图4（1）所示，这需要平等的力量。在悬浮绕组的cl和C2中，悬浮力FC2和FC1也通过刺激发电。以至于在c1和c2的悬浮绕组中，沿着x轴Fc1 和FC2的合力由现在的振幅所确定。
同样，通过悬浮绕组al-a2和bl-b2 和cl- c2的刺激，Y方向的力Fy也可以由励磁绕组产生。因此，一个任意的悬浮力都能够通过Fx和Fy的固有的力发电。
通过旋转的正确的方向，从a12, b12和c12三个平面中选出一个平面，然后在悬浮绕组的设置中绕组的设置被激发。要说明的是，怎样去选择平面，如果低于这是转子位置的功能。
D.控制系统配置
图5显示了该控制系统的配置。在马达控制器中，由霍尔传感器检测，转子每转30度就检测到一个Φ。对于当前命令的IM *和检测角位置Φ，当前国际单位的iu*、iv* 和iw*在由U型、V型和W型的三相电机绕组所决定。电机绕组的电流iu、iv 和iw根据根据电流的变化而变化。
在磁悬浮控制器中，转子的径向位置沿两个检测（垂直x轴和y轴）由差距传感器所决定。转子的径向位置和控制状态的不同之处是在x轴和y轴上通过一个比例微积分控制器被扩大，因此，悬架力被Fx* 和F *决定。利用悬浮力的控制和检测到的转子角位置Φ，当前终止绕组的命令模式被当前的命令模块脉冲所决定，说明如下。
当角位置在0到7.5度和22.5度至30的范围时，在b12平面悬浮绕组b1和b2受刺激。对悬浮绕组B1和 b2电流控制ibl*和 ib2* 由悬架力Fx* and F *控制
转子角位置[度] 图6 悬浮绕组的电流
K是电流常数。注意bl2平面是由60度旋转的机械轴，如图3所述 x和y的B1和B2轴。
对于角位置范围为7.5至15度和30至37.5度，在a12平面中悬浮绕组al和a2受到刺激。对悬浮绕组a1和a2电流控制ial*和 ia2*由悬架力Fx* and F *控制
请注意，a1和a2轴（aI2面）对应X和Y轴。
最后，对角位置范围15至22.5度和37.5至45度，在c12平面内悬浮绕组Cl和C2受到刺激。悬浮绕组c1和c2的电流控制ic1* 和ic2*由悬浮力Fx* 和 Fy*控制，故
其中的C1和C2轴（C12平面）通过从X和Y轴120度的机械旋转。
根据(I)-(3)，在整个45度的阶段，al-a2,、bl-b2 和cl-c2三个平面中至少有一个悬浮绕组受到刺激。结果可稳定悬浮转子无机械接触。
图6显示了一个例子，悬浮力必须沿着x轴时的悬浮绕组的电流控制波形。悬浮绕组的电流与电机的绕组电流频率相同的矩形波形。ia2*的电流控制，悬浮力只沿着x轴发电时，悬浮绕组a2为0。
它可以从绕组分布图1和在图2和6中电机和悬浮电流控制模式中观察到，即使电机和悬浮绕组可绕定子齿相同，他们也不是在同一时间受到激发的。例如，在转子的0
至7.5度，U型相电机绕组受激发，然而在同一三相绕组中悬浮绕组al 和a2未受激发。这意味着，耦合与电机和悬浮绕组相互干扰非常小。因此，建议运用磁悬浮控制方法，电机可以稳定地悬浮无任何机械接触。
在每个悬浮绕组里，EMF通过磁通感应，但是由于对面线圈串联，这些电磁场的净总和是零，因为它们磁铁通量相等且方向相反。因此，在悬浮绕组中，PM的通量不影响电流的控制。
3 建议电机和悬浮绕组轮流安排
在推荐的无轴承无刷直流电动机中，悬浮力比无轴承永磁同步电动机要小。为了提高悬浮力，本节提出了一个新的绕组安排。
图七显示了提出的新的绕组安排，即24绕组 - 槽的16杆轴承无刷直流电动机。与图1类似，用U，V和W表示的绕组电机绕组表示al, a2, bl, b2, cl and c2的悬浮绕组。
图7 在交替齿中电机和悬浮绕组的安排
图8 尺寸的有限元模型
表1
指明有限元模型
在图1的绕组安排中，定子上有两个电机和悬浮绕组开口。因此，由于槽面积的，绕组匝数受限；然而，在新的绕组安排中，只有电机绕组或只有悬挂绕组绕在一个齿上。电机的绕组和悬浮间距仍是一个插槽，两个线圈之间的跨度槽，即这种绕组交替排列在齿里。因此，悬浮绕组匝数可以相对于悬浮绕组增加，如图1所示；结果，相同的电机尺寸悬浮力有所增加。此外，所有的线圈可以一起插入插槽，绕组的错误减少。线圈可以被配置并连接到变频器上。在新的绕组安排下，在无轴承电机悬浮绕组中为了控制电机电流和转子，在第二节结束，绕组的安排应遵循相同的控制方法。图3中悬浮力用来发电用来定义a12, b12 and c12这三个平面，电图5 中有适合的控制方法。请注意，电机绕组的数目应该变成两倍于传统悬浮绕组，保持相同的扭矩。
4 分析转动力矩和悬浮力
转动力矩和悬浮力的有限元计算使用两个绕组安排（“常规”和“新安排”）的机型。用两种模型对计算结果进行了分析和比较。对新的绕组安排增加的悬浮力。图8显示了定子和转子的尺寸，这在传统的和新的绕组安排很普遍。表1显示了两种型号规格。原来的绕组的最大数量是一个齿绕120圈，80个绕在槽内。在传统的绕组安排中，电机和悬浮绕组匝数分别为24和96。在新的绕组安排，绕组匝数暂停数是120，这是每个齿的最高值。另一方面，汽车数量绕组安排的绕组匝数为48，这是传统的两倍，以维持两个模型之间的恒转矩。使用JMAG实现了仿真（JRI解决方案，公司Ver.8.4）。旋转扭矩是在逆时针的方向和悬浮力的指挥下，以产生在x方向的力量。 A.传统的绕线安排
图9 (a)和(b)表明，对于传统的转动力矩和悬浮力绕组的安排。在图9（1）的转矩脉动大，这是由定子开槽引起的。在这个模型上，空气间隙长度的比例厚度小，结果产生了转矩脉动。纹波可以通过使用定子或转子扭曲而降低。图9（2）13 N（平均悬浮力）是在x轴方向产生的，这是2.2倍重力的转子（即转子重量）。但是，Y轴力也产生悬浮力，即使是只在X轴方向。因此，在X和Y轴发生相互干扰的悬浮力，就像图9（b），该相互干扰出现在0，7.5，...，45度时，暂停绕组励磁从一个暂停整流绕组设置为下一个。这是通过正弦磁化的，如第二节所述，悬浮绕组受激发的而极性转子定子齿面则是一个常数; 但是，在空中不统一的磁通密度，面对牙齿所面临的正弦磁化的差距。因此，在Y方向力量如图9（b）所示。之所以会出现相互干扰进行了详细的解释[6]，以及如何消除它也写入那里。
转子角位置[度] (a) 转动力矩
转子角位置[度] (b) 悬浮力
Fig. 9. Computed results in conventional winding arrangement.
B.电机绕组和悬浮安排在备用牙
图10（1）及（b）显示转动力矩计算为新绕组和悬浮力的安排。在图10（1），旋转扭矩对应于传统的绕组安排，是原来的电机绕组数是传统的绕组模型的两倍。在图10（二）16 N（平均悬浮力）是产生在x轴方向，结果，这代表了与传统模式相比增加的绕组。一个16 N的悬浮力的2.6倍重力的转子磁场，使转子的支持比传统的绕线安排坚硬。发生悬浮力之间的相互干扰，但它可通过相同的方法减少绕组的安排
5 结论
无轴承无刷直流电动机的一种可以提高悬浮力的新的绕组的安排已经提出了。原来悬浮绕组的数量通过安排电机和悬浮绕组增加了。因此，建议使用绕组的安排，发动机的尺寸相同的前提下增加悬浮力。转动力矩和悬浮力的计算使用24槽有限元模型的16杆无轴承无刷直流电动机。在建议的绕组安排下，悬浮力比传统的绕线模式增加了23°，虽然两个模型转动力矩相等。从计算结果看，建议电机绕组和悬浮齿轮流安排，证明这是有效提高悬浮力的方法。
转子角位置[度] (a) 转动力矩
转子角位置[度] (b) 悬浮力
图10在备用电机和悬浮绕组安排计算结果