基于磁场调制理论的无轴承永磁薄片电机偏心不平衡磁拉力分析及其补偿.pdfVIP

2025年3月电工技术学报Vol.40No.6

第40卷第6期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYMar.2025

DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.240321

基于磁场调制理论的无轴承永磁薄片电机

偏心不平衡磁拉力分析及其补偿

王锁王宇

（南京航空航天大学自动化学院南京210016）

摘要心室辅助系统、心脏泵对其薄片电机的悬浮性能要求较高，不平衡磁拉力对薄片电机

的悬浮性能有很大的影响。已有研究忽略了定子的开槽对不平衡磁拉力的影响，模型精确度较低，

补偿效果一般。该文利用气隙磁导比来衡量定子开槽对气隙的影响，与传统的不平衡磁拉力模型

相结合，提出一种考虑开槽影响的电机偏心气隙磁场解析式，从磁场调制的角度分析偏心时不平

衡磁拉力的产生机理，并计算开槽影响的电机偏心不平衡磁拉力。最后通过补偿实验验证了理论

分析的正确性与必要性。

关键词：薄片电机偏心不平衡磁拉力磁场调制效应不平衡磁拉力产生机理

中图分类号：TM461

旋转，与定子同心，其结构如图1b所示，可以看出，

0引言

该结构由偏心导致的最小气隙位置会随着时间变化。

无轴承永磁薄片电机的转子一般为圆环形的永

磁体[1-2]，没有轴承且轴向长度较短，具有高转速、

高功率密度、无机械磨损等特点，因此特别适用于

[3]

人工心脏泵等对超洁净运输有极高要求的场合。

近年来，由于新冠疫情的大面积爆发，心肺衰竭的

患者数量急剧上升，人工心脏泵作为能够在心肺衰

竭手术中为患者提供体外血液循环的关键器械，受

[4]

到了广泛关注。

心脏泵运行时对血液的剪切力和挤压力将直接

（a）静态偏心

影响患者的生命安全，这两种力和无轴承永磁薄片

电机悬浮时转子的偏心情况相关，因此无轴承永磁

薄片电机转子悬浮时的偏心大小将直接影响电机的

工作性能[5]。无轴承永磁薄片电机的任意一种偏心

情况均可以看成两种基本偏心类型的组合：一种称

为静态偏心，该类型中转子绕着自己的几何中心旋

转，与定子不同心，其结构如图1a所示，可以看出，

由偏心导致的最小气隙位置不随时间变化；另一种

称为动态偏心，该类型中转子绕着定子的几何中心

国家自然科学基金U2141227,）和航空科学（b）动态偏心

基金（2020HKZ0001）资助项目。图1偏心情况示意图

收稿日期2024-03-01改稿日期2024-04-23Fig.1Schematicdiagramofeccentricity

第40卷第6期王锁等基于磁场调制理论的无轴承永磁薄片电机偏心不平衡磁拉力分析及其补偿1747

由于电机没有轴承这一结构，所以如何将转子磁薄片电机的相关研究较少。文献[22]研究了交替

稳定且没有偏心地浮在电机的定子几何中心就成了极无轴承永磁电机的偏心磁场，建立了基于二维解

无轴承永磁薄片电机的控制重点[6]。然而，不平衡析法的数学模型。文献[23]建立了一对极永磁薄片

磁拉力会使得电机转子在径向上产生较大的振动，电机的偏心磁场解析模型，并基于此模型对不平衡

这一振动会极大地影响薄片电机的悬浮性能。因此，磁拉力进行补偿。上述文献将已有的有轴承永磁电

精确解析无轴承永磁薄片