零轴承按钮磁阻电机的频谱换置器探讨

　　系统构成无轴承开关磁阻电机系统硬件主要包括：无轴承开关磁阻电机本体、主绕组、
悬浮绕组功率电路及驱动电路、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、传感器和相关辅助电源。
　　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。
　　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> ： Fα=Kf1 （ θ ） imaisa1 （ 1 ） Fβ=Kf2 （ θ ） imaisa2 （ 2 ） 其 中 系 数
Kf1（θ）、Kf2（θ）分别为：Kf1（θ

≈

） NmNbμ0lrπ-12|θe|6l2g0+4（2r|θe|+lg0）|θe|πr2|θe|

2lg0+rl2g0（π+2）|θe|+2l3g0（3）Kf2（θ

≈

） NmNbμ0lr（π-12|θe|）|θe|12l2g0-2lg0+4（2r|

θe|+lg0）πr2|θe|2+rlg0（π+2）|θe|+2l2g0（4）式中：-π12≤θ≤π12；Nm 主绕组匝数；Nb 悬
浮绕组匝数；μ0 磁导率；l 定、转子轴向叠片长度；r 转子极弧半径；lg0 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一：不对称半桥变换器作为主绕组的功
率变换器，如所示。中 Am、Bm、Cm 分别代表无轴承开关图 3 主绕组功率电路磁阻电机的
三相 A、B、C 主绕组，D1～D6 是主开关管关断后，用来续流的二极管，T1、T2 是 A 相主
绕组的开关管，T3、T4 是 B 相主绕组的开关管，T5、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 APT5010LFLL.其耐压
500V，最大允许电流 46A.在标准测试条件下，开通延迟时间 11ns，关断延迟时间 25ns，
上升时间 15ns，下降时间 3ns.快速软恢复整流二极管选用 80EPF06，其耐压 600V，最大
允许平均电流 80A.
　　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。
　　As、Bs、Cs 分别代表无轴承开关磁阻发电机的三相悬浮绕组，D1～D8 是开关管
MOSFET 反向并联的二极管，T1、T2 是公共桥臂的开关管，T3～T8 是三相桥臂的开关管。
　　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间、开通上升时间、关断下降时间等
要求，选用驱动芯片 IXDD409PI、高速光耦 6N137 组成驱动隔离电路。
　　功率电路实验基于上述的无轴承开关磁阻电机主、悬浮绕组功率电路及驱动电路设计