開關(guān)磁阻電機(jī)一體化飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)磁場耦合分析

湯雙清 何俊杰 宋文虎

(三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

在開關(guān)磁阻電機(jī)一體化飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，開關(guān)磁阻電機(jī)[1]、軸向磁力軸承和徑向磁力軸承[2]這3個(gè)部件都會(huì)產(chǎn)生磁場，這3個(gè)磁場間勢必會(huì)產(chǎn)生一定的耦合，耦合磁場會(huì)對(duì)原來三者單獨(dú)的磁場產(chǎn)生一定的影響，而開關(guān)磁阻電機(jī)作用原理是“磁阻最小原理”，軸向磁力軸承和徑向磁力軸承都是利用磁場力來為系統(tǒng)提供支撐力，所以必須將三者放在一起，對(duì)它們的耦合磁場進(jìn)行分析，并分析耦合磁場中的開關(guān)磁阻電機(jī)磁場、軸向電磁軸承磁場和徑向電磁軸承磁場，分析耦合磁場對(duì)它們?nèi)哒９ぷ魇欠裼杏绊?，以及?duì)它們使用性能的影響.因此對(duì)一體化飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行磁場的耦合分析是必不可少的.

1 開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理及磁場分析

開關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctance motor，SRM)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括開關(guān)磁阻電機(jī)、控制系統(tǒng)、功率變換器與檢測器(主要檢測開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和導(dǎo)通的電流)四大部分.開關(guān)磁阻電機(jī)主要是將能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將外部電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能.圖1是典型SRM 的工作原理簡圖.

圖1 12/8三相開關(guān)磁阻電機(jī)典型原理圖

查閱上述SRM 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)公式，對(duì)SRM 結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得到相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù).

開關(guān)磁阻電機(jī)的主要尺寸參數(shù)有鐵芯的外徑D1、轉(zhuǎn)子的外徑D2以及鐵芯的長度L.圖2為SRM主要結(jié)構(gòu)參數(shù)圖.

圖2 開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

為了主要參數(shù)計(jì)算更加方便，這里引入一個(gè)細(xì)長比λ[3]，λ為鐵芯長度和轉(zhuǎn)子外徑的比值：

式中，λ的值能夠?qū)RM 的性能產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)λ的取值比較大的時(shí)候，證明鐵芯比較長而轉(zhuǎn)子外徑較小，使SRM 看起來成細(xì)長型，將會(huì)減小開關(guān)磁阻電機(jī)端部磁場的影響，使磁化曲線更加精確.根據(jù)大部分研究電機(jī)學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，λ一般取0.5～3.0比較合適.對(duì)于SRM 電機(jī)而言，λ一般取值為1.

根據(jù)科學(xué)研究以及生產(chǎn)實(shí)際結(jié)果總結(jié)得出[4]，開關(guān)磁阻電機(jī)中的損耗主要為銅損耗，大概占總損耗的50%，所以電磁功率Pem按式(2)計(jì)算：

式中，PN為額定功率；η為額定效率；開關(guān)磁阻電機(jī)中定子外徑與轉(zhuǎn)子外徑比D1/D2的取值應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)來選擇，一般情況下其取值為0.4～0.7，最常用的為0.5～0.55.

轉(zhuǎn)子外徑與定子外徑的比值由定、轉(zhuǎn)子的凸極個(gè)數(shù)來確定，具體見表1.

表1 三相、四相開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子外徑比經(jīng)典取值表

開關(guān)磁阻電機(jī)除了主要尺寸參數(shù)外還有氣隙、定、轉(zhuǎn)子極寬、軸徑等一系列其他參數(shù)，這些參數(shù)都可以根據(jù)主要參數(shù)計(jì)算出.

使用SolidWorks軟件和Ansoft Maxwell軟件對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行建模仿真分析.因?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱分布，其三相繞組工作特性又是一樣的，所以只需分析其中一相繞組接通時(shí)開關(guān)磁阻電機(jī)的內(nèi)部磁場分布即可.在其中一相繞組接通時(shí)，又可選開關(guān)磁阻電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子位于3個(gè)不同位置下進(jìn)行分析，分別選擇定子凸極后沿與轉(zhuǎn)子凸極前沿重合處(位置1)、定子凸極中軸線與轉(zhuǎn)子凸極前沿重合處(位置2)、定子凸極中軸線與轉(zhuǎn)子凸極中軸線重合處(位置3)這3處位置進(jìn)行仿真分析.

綜合開關(guān)磁阻電機(jī)在這3處仿真結(jié)果分析可得：開關(guān)磁阻電機(jī)在位置1、位置2和位置3時(shí)，其內(nèi)部磁場分布都較為均勻，內(nèi)部存在十分微弱的耦合，可忽略不計(jì)；同時(shí)在開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部存在很小的磁漏，不影響開關(guān)磁阻電機(jī)的正常運(yùn)行，可忽略；從位置1到位置3，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩在逐漸減小，證明開關(guān)磁阻電機(jī)處于加速過程，符合開關(guān)磁阻電機(jī)的工作特點(diǎn)，所以此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)在此相繞組接通時(shí)，能夠讓開關(guān)磁阻電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)SRM 的工作特點(diǎn)可以推斷出，在其他兩相繞組接通工作時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)也能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)可行.

2 主動(dòng)磁力軸承支撐系統(tǒng)工作分析

主動(dòng)磁力軸承[5]支撐系統(tǒng)一般由5部分組成：軸承轉(zhuǎn)子、定子電磁鐵、位置傳感器、控制器與功率放大器，主動(dòng)磁力軸承組成部分和工作原理圖如圖3 所示[6].

圖3 主動(dòng)磁力軸承組成部分和工作原理圖

根據(jù)圖3 所示，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)處于X0位置(理想工作位置)，轉(zhuǎn)子中心軸線與上下電磁鐵距離均為X0.當(dāng)主動(dòng)磁力軸承受外界影響時(shí)，軸承轉(zhuǎn)子向下偏移X，轉(zhuǎn)子的中心軸線偏離中心位置，傳感器將轉(zhuǎn)子偏移反饋給位移信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，再由位移信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給控制器，控制器通過功率放大器來調(diào)整上下繞組中的電流大小，使轉(zhuǎn)子受到力，而這個(gè)力的方向剛好和轉(zhuǎn)子偏移的方向相反，促使轉(zhuǎn)子返回中心位置X0穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn).

分別對(duì)軸向磁力軸承和徑向磁力軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行磁場仿真分析[7]軸向磁力軸承與徑向磁力軸承在穩(wěn)定位置和偏移時(shí)的受力情況，得到單獨(dú)分析的支撐系統(tǒng)受力情況見表2.

表2 單獨(dú)分析的支撐系統(tǒng)受力情況表

從表2可以看出，當(dāng)徑向磁力軸承轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)子受到的力約為1.036N，當(dāng)其產(chǎn)生0.1mm 偏移時(shí)，轉(zhuǎn)子受到的徑向力為148.85N，軸向力為0.0409N，當(dāng)其產(chǎn)生0.21mm 偏移時(shí)，其受到的徑向力為433.4N，軸向力為0.298N.從結(jié)果可知，當(dāng)徑向軸承轉(zhuǎn)子發(fā)生偏移時(shí)受到的徑向力隨著偏移量的增大而增大，而受到的軸向力幾乎沒有變化；當(dāng)軸向磁力軸承轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，雖然轉(zhuǎn)子受到的軸向力明顯大于徑向力，但其數(shù)值很小，同樣當(dāng)軸向磁力軸承轉(zhuǎn)子發(fā)生偏移時(shí)，轉(zhuǎn)子受到的徑向力幾乎沒有改變，依然很小，而受到的軸向力變化十分大.結(jié)果表明徑向磁力軸承和軸向磁力軸承內(nèi)部磁場分布都符合使用要求，可以作為一體化結(jié)構(gòu)中的磁懸浮支撐系統(tǒng)，并得到了它們穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)與產(chǎn)生偏移時(shí)的受力情況，為磁場耦合等對(duì)比分析提供了重要的幫助.

3 開關(guān)磁阻電機(jī)一體化飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)磁場耦合分析

3.1 軸向、徑向磁力軸承內(nèi)部磁場對(duì)比分析

此前已經(jīng)分別選擇定子凸極后沿與轉(zhuǎn)子凸極前沿重合處(位置1)、定子凸極中軸線與轉(zhuǎn)子凸極前沿重合處(位置2)、定子凸極中軸線與轉(zhuǎn)子凸極中軸線重合處(位置3)這3處位置進(jìn)行仿真分析.由于開關(guān)磁阻電機(jī)處于位置3時(shí)，其定子凸極繞組已經(jīng)斷開，所以只需將開關(guān)磁阻電機(jī)位于位置1和位置2時(shí)的耦合磁場與單獨(dú)分析時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析.分別對(duì)軸向、徑向磁力軸承穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在SRM1耦合場和SRM2耦合場進(jìn)行分析[8]，同時(shí)分別對(duì)軸向軸承產(chǎn)生0.29 mm 位移、徑向軸承產(chǎn)生0.21mm 位移(XY方向各0.21mm，兩端徑向磁力軸承位移方向相反)時(shí)和軸向軸承產(chǎn)生0.15mm 位移、徑向軸承產(chǎn)生0.10mm位移(XY方向各0.21mm，兩端徑向磁力軸承位移方向相反)時(shí)進(jìn)行分析[9]，通過分析得到：圖4 為SRM1位置軸向(a)、徑向(b)磁力軸承磁穩(wěn)態(tài)感應(yīng)強(qiáng)度云圖，圖5為SRM2位置軸向(a)、徑向(b)磁力軸承穩(wěn)態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度圖，圖6為SRM1位置軸向(a)、徑向(b)磁力軸承偏移磁感應(yīng)強(qiáng)度圖，圖7為SRM2位置軸向(a)、徑向(b)磁力軸承偏移磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖.軸向、徑向磁力軸承穩(wěn)態(tài)單獨(dú)受力與系統(tǒng)受力對(duì)比見表3，軸向、徑向磁力軸承偏移單獨(dú)受力與系統(tǒng)受力對(duì)比見表4～5.

圖4 SRM1位置軸向(a)、徑向(b)磁力軸承磁穩(wěn)態(tài)感應(yīng)強(qiáng)度圖

圖5 SRM2位置軸向(a)、徑向(b)磁力軸承穩(wěn)態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度圖

圖6 SRM1位置軸向(a)、徑向(b)磁力軸承偏移磁感應(yīng)強(qiáng)度圖

圖7 SRM2位置軸向(a)、徑向(b)磁力軸承偏移磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

表3 軸向、徑向磁力軸承穩(wěn)態(tài)單獨(dú)受力與系統(tǒng)受力對(duì)比表

表4 SRM1位置軸向、徑向磁力軸承偏移單獨(dú)受力與系統(tǒng)受力對(duì)比表

表5 SRM2位置軸向、徑向磁力軸承偏移單獨(dú)受力與系統(tǒng)受力對(duì)比表

根據(jù)以上分析可得：

1)軸向、徑向磁力軸承內(nèi)部磁場在耦合場中受到影響較小，其磁場分布特點(diǎn)與單獨(dú)場時(shí)基本一致.

2)當(dāng)SRM 處于位置1且軸向、徑向磁力軸承沒有發(fā)生偏移時(shí)：軸向磁力軸承受到的徑向力比單獨(dú)時(shí)增大了0.43N，受到的軸向力增大了1.62N，合力增大了1.65N；徑向磁力軸承(離軸向軸承較近端)受到的徑向力減小了0.15N，軸向力減小0.26N，合力減小0.21N；徑向磁力軸承(離軸向軸承較遠(yuǎn)端)受到的徑向力增大了1.37，軸向力減小0.33N，合力增大1.35N；在SRM1位置且沒有偏移時(shí)，軸向、徑向磁力軸承受到耦合磁場的影響，但其影響十分小，力的變化值沒有超過2N，可忽略不計(jì).

3)當(dāng)SRM 處于位置2且軸向、徑向磁力軸承沒有發(fā)生偏移時(shí)：軸向磁力軸承受到的徑向力比單獨(dú)時(shí)增大了0.71N，受到的軸向力增大了0.17N，合力增大了0.17N；徑向磁力軸承(離軸向軸承較近端)受到的徑向力增大了0.26N，軸向力減小了0.09N，合力增大了0.27N；徑向磁力軸承(離軸向軸承較遠(yuǎn)端)受到的徑向力增大了1.25，軸向力增大1.27N，合力增大1.92N；在SRM2位置且沒有偏移時(shí)，軸向、徑向磁力軸承受到耦合磁場的影響，但其影響十分小，力的變化值沒有超過2N，可忽略不計(jì).

4)當(dāng)軸向、徑向磁力軸承不發(fā)生偏移時(shí)，耦合場對(duì)離軸向磁力軸承較遠(yuǎn)的徑向磁力軸承的受力影響比離得近的大.

5)當(dāng)軸向偏移0.29mm、徑向偏移0.21mm 時(shí)：軸向磁力軸承徑向力的變化值在0.5N 以內(nèi)，軸向力的變化值沒有超過1%；徑向磁力軸承的徑向力變化值沒有超過1%，軸向力的變化值在0.5N 以內(nèi).當(dāng)軸向偏移0.15mm、徑向偏移0.10mm 時(shí)：軸向磁力軸承徑向力的變化值在0.5N 以內(nèi)，軸向力的變化值沒有超過1%；徑向磁力軸承的徑向力變化值沒有超過1%，軸向力的變化值在0.5N 以內(nèi).當(dāng)軸向、徑向磁力軸承發(fā)生偏移時(shí)，耦合場對(duì)離軸向電磁軸承較遠(yuǎn)的徑向電磁軸承的受力影響比離得近的大.

綜合上面分析可得，當(dāng)一體化飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部耦合磁場對(duì)軸向、徑向磁力軸承受力的影響很小，變化值不超過2N；在一體化飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向和徑向偏移時(shí)，耦合場對(duì)軸向、徑向磁力軸承影響很小，軸向磁力軸承的徑向力變化不超過0.5N，軸向力的變化不超過1%，徑向磁力軸承的軸向力變化不超過0.5N，徑向力的變化不超過1%.所以一體化結(jié)構(gòu)內(nèi)部耦合磁場對(duì)軸向、徑向磁力軸承的影響很小，可忽略不計(jì).

3.2 開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部磁場對(duì)比分析

根據(jù)上文磁場仿真得到開關(guān)磁阻電機(jī)處于位置1、位置2時(shí)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)與產(chǎn)生偏移時(shí)進(jìn)行耦合磁場圖，圖8為穩(wěn)態(tài)時(shí)SRM1(a)、SRM2(b)磁感應(yīng)強(qiáng)度圖，圖9為偏移時(shí)SRM1(a)、SRM2(b)磁感應(yīng)強(qiáng)度圖.

圖9 偏移時(shí)SRM1(a)、SRM2(b)磁感應(yīng)強(qiáng)度圖

根據(jù)以上分析可知：開關(guān)磁阻電機(jī)在位置1和位置2時(shí)，不論是否發(fā)生偏移，其內(nèi)部磁場分布都符合“磁阻最小原理”，可以正常運(yùn)行工作；從表6中可以看到，開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩受耦合場影響變化很大，從6.65N·m 變成0.88N·m，從6.57N·m 變成0.77N·m，使飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速能夠有所提升，但要控制其轉(zhuǎn)速不能過大，避免轉(zhuǎn)子強(qiáng)度不夠而失效.

表6 開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)比表

4 結(jié) 論

本文對(duì)軸向、徑向電磁軸承轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生偏移、開關(guān)磁阻電機(jī)分別位于SRM1和SRM2時(shí)；軸向電磁軸承轉(zhuǎn)子產(chǎn)生0.29mm 軸向偏移、徑向電磁軸承轉(zhuǎn)子產(chǎn)生0.21mm 徑向偏移、開關(guān)磁阻電機(jī)分別位于SRM1和SRM2時(shí)；軸向電磁軸承轉(zhuǎn)子產(chǎn)生0.15mm軸向偏移、徑向電磁軸承產(chǎn)生0.10mm 徑向偏移、開關(guān)磁阻電機(jī)分別位于SRM1和SRM2時(shí)的這6種情況進(jìn)行耦合磁場分析，通過分析得到：開關(guān)磁阻電機(jī)磁場、軸向電磁軸承磁場和徑向電磁軸承磁場的分布特點(diǎn)與單獨(dú)分析時(shí)一致；在耦合場中離軸向電磁軸承較近的徑向電磁軸承轉(zhuǎn)子的受力影響比離軸向電磁軸承較遠(yuǎn)的徑向電磁軸承轉(zhuǎn)子的受力影響小；當(dāng)軸向、徑向電磁軸承的偏移量為0.00mm 時(shí)，軸向、徑向電磁軸承所受到的單獨(dú)分析時(shí)所受到的力的變化不超過2N，影響很??；當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向和徑向偏移時(shí)，耦合場對(duì)軸向、徑向電磁軸承影響很小，軸向電磁軸承的徑向力變化不超過0.5N，軸向力的變化不超過1%，徑向電磁軸承的軸向力變化不超過0.5N，徑向力的變化不超過1%.所以一體化結(jié)構(gòu)內(nèi)部耦合磁場對(duì)軸向、徑向電磁軸承的影響很小，可忽略不計(jì).因此開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩在耦合場的影響下有所變小，使飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有所提高，增加儲(chǔ)能量，但要注意不能使飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速過大，以免造成疲勞破壞.