五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙旭升

(南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210048)

0 引 言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是從上世紀(jì)70 年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，其獨(dú)特的定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)，使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用定轉(zhuǎn)子極數(shù)不等，磁阻轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，定子上不增加勵(lì)磁繞組，就可實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行［1－2］。正是諸如上述眾多優(yōu)點(diǎn)，多國(guó)科技工作者的高度關(guān)注，并對(duì)其進(jìn)行了較為深入的研究［3－5］。高速電機(jī)以其體積小、重量輕、功率密度高，在高速場(chǎng)合的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但轉(zhuǎn)速提升，加劇了轉(zhuǎn)軸與軸承的摩擦，軸承使用壽命下降，系統(tǒng)的可靠性降低［6］。研究人員提出了利用磁軸承取代機(jī)械軸承，提升系統(tǒng)可靠性的替代方案［7］。永磁偏置磁軸承具有功耗低、電磁鐵匝數(shù)少、軸承體積小等優(yōu)點(diǎn)，在高速、低功耗領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［8］，將二者結(jié)合起來(lái)，是高速磁懸浮系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向。文獻(xiàn)［7］中，美國(guó)Honeywell 公司和Revolve 磁軸承公司成功研制了功率為250 kW、轉(zhuǎn)速為42 000 r/min 的五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)，其徑向四自由度懸浮由兩個(gè)永磁偏置徑向磁軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)，軸向懸浮則利用一個(gè)主動(dòng)軸向磁軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種新結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，其利用永磁偏置磁軸承作支撐軸承，結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便，在高速起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

圖1(a)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，其軸向自由度可單獨(dú)控制，但這種分散結(jié)構(gòu)占據(jù)了較長(zhǎng)的軸向長(zhǎng)度，使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速降低。圖1(b)是利用一個(gè)永磁偏置軸向徑向磁軸承與一個(gè)永磁偏置徑向磁軸承構(gòu)成的五自由度磁懸浮系統(tǒng)，相比于圖1(a)結(jié)構(gòu)，雖然軸向不能獨(dú)立控制，但結(jié)構(gòu)緊湊，臨界轉(zhuǎn)速高。圖1(c)結(jié)構(gòu)的五自由度懸浮則是利用相同的兩個(gè)永磁偏置軸向徑向磁軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)，相比于圖1(a)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，軸向長(zhǎng)度短。在此，對(duì)圖1(b)、1(c)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較選擇。

1.2 磁軸承的結(jié)構(gòu)選擇

針對(duì)圖1(b)、1(c)結(jié)構(gòu)，需選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)的永磁偏置磁軸承。雖然，永磁偏置軸向徑向磁軸承結(jié)構(gòu)和內(nèi)部磁場(chǎng)相比于永磁偏置徑向磁軸承要更復(fù)雜，但其結(jié)構(gòu)緊湊。為了簡(jiǎn)化整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增加磁軸承的互換性，選擇圖1(c)作為構(gòu)建磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案。在此選擇的永磁偏置軸向徑向磁軸承的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，其結(jié)構(gòu)和工作原理在文獻(xiàn)［8］中已有較為詳細(xì)的分析，其結(jié)構(gòu)緊湊，軸向控制磁通與徑向控制磁通彼此解耦，受到國(guó)內(nèi)外眾多研究人員的青睞。利用該種軸承構(gòu)建的電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2 電機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)本體設(shè)計(jì)

在此所選用的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為6 /4 結(jié)構(gòu)，功率3．5 kW，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速60 000 r/min，電機(jī)的部分參數(shù)如表1 所示。

表1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)部分參數(shù)

2.2 永磁偏置軸向徑向磁軸承本體設(shè)計(jì)

考慮到高速時(shí)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的不平衡擾動(dòng)力及轉(zhuǎn)子重量，設(shè)定徑向承載力500 N，約為轉(zhuǎn)子重量的10倍。以文獻(xiàn)［10－11］中永磁偏置磁軸承的參數(shù)設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，對(duì)所選用永磁偏置軸向徑向磁軸承進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，表2 給出了永磁偏置軸向徑向磁軸承的設(shè)計(jì)結(jié)果。

表2 永磁偏置軸向徑向磁軸承設(shè)計(jì)結(jié)果

圖4 給出了永磁偏置軸向徑向磁軸承的三維仿真結(jié)果圖，在加徑向激勵(lì)電流為166 A、軸向激勵(lì)為160 A 時(shí)，徑向承載力為496 N，軸向承載力為983 N，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 永磁偏置軸向徑向磁軸承三維仿真圖

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作

為了減少磁場(chǎng)間的相互干擾，轉(zhuǎn)軸采用非導(dǎo)磁高強(qiáng)度不銹鋼制成，端蓋、機(jī)殼均采用非導(dǎo)磁材料鋁合金制成，轉(zhuǎn)軸總長(zhǎng)372 mm，重約5 kg(包含轉(zhuǎn)軸、磁懸浮轉(zhuǎn)子及電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量)，保護(hù)氣隙(單邊)為0．25 mm。徑向定子實(shí)物圖如圖5(a)所示，軸向定子實(shí)物圖如圖5(b)所示，考慮到安裝的問(wèn)題，靠近開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的內(nèi)軸向定子設(shè)計(jì)成哈佛結(jié)構(gòu)，圖6 給出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)全景圖。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 靜態(tài)懸浮實(shí)驗(yàn)

對(duì)五自由度磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)起浮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，起浮時(shí)為空載，各自由度PID 參數(shù)調(diào)節(jié)的基本相同。由于兩端永磁偏置軸向徑向磁軸承完全相同，圖7 給出了起浮時(shí)一端軸向徑向轉(zhuǎn)子位移的變化、控制電流的變化以及起浮時(shí)間的實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可見(jiàn)，軸向、徑向三個(gè)自由度的起浮時(shí)間均在30～40 ms 之間，兩個(gè)徑向自由度的起浮電流約在3 A 左右，軸向起浮電流接近于2 A，小于徑向自由度，這是由于兩端軸向繞組為并聯(lián)控制所致。

圖8 給出了木榔頭敲擊轉(zhuǎn)軸的沖擊實(shí)驗(yàn)波形，在50 ms 時(shí)間內(nèi)，各自由度迅速恢復(fù)穩(wěn)定懸浮。對(duì)其最大承載力進(jìn)行了測(cè)定，在最大電流2 A 時(shí)，承載力為475 N，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 動(dòng)態(tài)懸浮實(shí)驗(yàn)

利用高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子0～36 000 r/min 的動(dòng)態(tài)懸浮。圖9 給出了36 000 r/min 時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，各自由度位移振動(dòng)幅度都小于保護(hù)氣隙，徑向約為60 μm，軸向約為20 μm，控制電流的峰－峰值則是徑向約為2 A，軸向約為0．5 A。

靜動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)利用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用永磁偏置軸向徑向磁軸承作支撐軸承，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)軸的0～36000 r/min 的穩(wěn)定懸浮，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇合理，參數(shù)設(shè)計(jì)合理準(zhǔn)確。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出并制作了利用永磁偏置軸向徑向磁軸承作為支撐軸承、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作驅(qū)動(dòng)的五自由度磁懸浮電機(jī)系統(tǒng)。由于采用兩個(gè)相同的永磁偏置軸承作為支撐軸承，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加了磁軸承的互換性，簡(jiǎn)化了參數(shù)設(shè)計(jì)及加工難度。對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)懸浮實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)軸0～36 000 r /min的穩(wěn)定懸浮，結(jié)果驗(yàn)證了五自由度懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。該系統(tǒng)在高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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