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。其系统框图如示。
　　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，如示。
　　中

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，如所示。

　　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方