趙旭升

(南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210048)

0 引 言

開關(guān)磁阻電機是從上世紀(jì)70 年代發(fā)展起來的一種新型電機，其獨特的定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便的結(jié)構(gòu)特點，利用定轉(zhuǎn)子極數(shù)不等，磁阻轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，同時，定子上不增加勵磁繞組，就可實現(xiàn)發(fā)電運行［1－2］。正是諸如上述眾多優(yōu)點，多國科技工作者的高度關(guān)注，并對其進行了較為深入的研究［3－5］。高速電機以其體積小、重量輕、功率密度高，在高速場合的應(yīng)用越來越廣泛。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，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，是高速磁懸浮系統(tǒng)的一個重要研究方向。文獻［7］中，美國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關(guān)磁阻電機起動/發(fā)電系統(tǒng)，其徑向四自由度懸浮由兩個永磁偏置徑向磁軸承來實現(xiàn)，軸向懸浮則利用一個主動軸向磁軸承來實現(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關(guān)磁阻電機系統(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/發(fā)電系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(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，其軸向自由度可單獨控制，但這種分散結(jié)構(gòu)占據(jù)了較長的軸向長度，使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速降低。圖1(b)是利用一個永磁偏置軸向徑向磁軸承與一個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永磁偏置軸向徑向磁軸承來實現(xiàn)，相比于圖1(a)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，軸向長度短。在此，對圖1(b)、1(c)這兩種結(jié)構(gòu)進行比較選擇。

1.2 磁軸承的結(jié)構(gòu)選擇

針對圖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。為了簡化整個電機系統(tǒng)的設(shè)計，增加磁軸承的互換性，選擇圖1(c)作為構(gòu)建磁懸浮開關(guān)磁阻電機的結(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［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，受到國內(nèi)外眾多研究人員的青睞。利用該種軸承構(gòu)建的電機結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2 電機系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計

2.1 開關(guān)磁阻電機本體設(shè)計

在此所選用的開關(guān)磁阻電機為6 /4 結(jié)構(gòu)，功率3．5 kW，設(shè)計轉(zhuǎn)速60 000 r/min，電機的部分參數(shù)如表1 所示。

表1 開關(guān)磁阻電機部分參數(shù)

2.2 永磁偏置軸向徑向磁軸承本體設(shè)計

考慮到高速時轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的不平衡擾動力及轉(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［10－11］中永磁偏置磁軸承的參數(shù)設(shè)計方法為基礎(chǔ)，對所選用永磁偏置軸向徑向磁軸承進行了參數(shù)設(shè)計，表2 給出了永磁偏置軸向徑向磁軸承的設(shè)計結(jié)果。

表2 永磁偏置軸向徑向磁軸承設(shè)計結(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，在加徑向激勵電流為166 A、軸向激勵為160 A 時，徑向承載力為496 N，軸向承載力為983 N，符合設(shè)計要求。

圖4 永磁偏置軸向徑向磁軸承三維仿真圖

3 系統(tǒng)實驗平臺的制作

為了減少磁場間的相互干擾，轉(zhuǎn)軸采用非導(dǎo)磁高強度不銹鋼制成，端蓋、機殼均采用非導(dǎo)磁材料鋁合金制成，轉(zhuǎn)軸總長372 mm，重約5 kg(包含轉(zhuǎn)軸、磁懸浮轉(zhuǎn)子及電機轉(zhuǎn)子的重量)，保護氣隙(單邊)為0．25 mm。徑向定子實物圖如圖5(a)所示，軸向定子實物圖如圖5(b)所示，考慮到安裝的問題，靠近開關(guān)磁阻電機的內(nèi)軸向定子設(shè)計成哈佛結(jié)構(gòu)，圖6 給出了實驗樣機全景圖。

4 實驗驗證

4.1 靜態(tài)懸浮實驗

對五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)進行了靜態(tài)起浮實驗驗證，起浮時為空載，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間的實驗波形。從圖中可見，軸向、徑向三個自由度的起浮時間均在30～40 ms 之間，兩個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)軸的沖擊實驗波形，在50 ms 時間內(nèi)，各自由度迅速恢復(fù)穩(wěn)定懸浮。對其最大承載力進行了測定，在最大電流2 A 時，承載力為475 N，符合設(shè)計要求。

4.2 動態(tài)懸浮實驗

利用高速開關(guān)磁阻電機驅(qū)動，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子0～36 000 r/min 的動態(tài)懸浮。圖9 給出了36 000 r/min 時的實驗波形，從實驗結(jié)果來看，各自由度位移振動幅度都小于保護氣隙，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。

靜動態(tài)實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)利用開關(guān)磁阻電機作為驅(qū)動電機，利用永磁偏置軸向徑向磁軸承作支撐軸承，實現(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)計合理準(zhǔn)確。

5 結(jié) 語

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、開關(guān)磁阻電機作驅(qū)動的五自由度磁懸浮電機系統(tǒng)。由于采用兩個相同的永磁偏置軸承作為支撐軸承，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加了磁軸承的互換性，簡化了參數(shù)設(shè)計及加工難度。對電機系統(tǒng)進行了動靜態(tài)懸浮實驗，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)軸0～36 000 r /min的穩(wěn)定懸浮，結(jié)果驗證了五自由度懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)設(shè)計的合理性。該系統(tǒng)在高速開關(guān)磁阻電機起動/發(fā)電系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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