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        一種自軸承電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制原理研究

        2012-10-31 06:53:38潘建新周志雄
        微特電機(jī) 2012年11期
        關(guān)鍵詞:磁通永磁繞組

        潘建新,周志雄

        (1.湖南科技職業(yè)學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410004;2.湖南大學(xué),湖南長(zhǎng)沙 410082)

        0 引 言

        圖1 磁懸浮自軸承電動(dòng)機(jī)示意圖

        自軸承電動(dòng)機(jī)由于使用磁軸承而不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的機(jī)械軸承,而且磁軸承結(jié)構(gòu)與交流電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)相似,人們通常把磁軸承中產(chǎn)生徑向懸浮力的繞組(懸浮繞組)疊加到電動(dòng)機(jī)的定子繞組(轉(zhuǎn)矩繞組)中,它們產(chǎn)生一個(gè)整體磁場(chǎng),通過(guò)控制該磁場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)和懸浮。

        應(yīng)用最廣泛的自軸承電動(dòng)機(jī)使用兩種旋轉(zhuǎn)磁通:轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)采用與轉(zhuǎn)子相同的極數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制,懸浮繞組磁場(chǎng)通過(guò)增加或減少2個(gè)磁極數(shù)(p±2)產(chǎn)生一個(gè)徑向力[1]。這種形式的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的最大問(wèn)題是控制兩個(gè)不同旋轉(zhuǎn)磁通比較復(fù)雜。下面對(duì)其控制原理進(jìn)行分析。

        1 結(jié)構(gòu)原理

        最普通的自軸承電動(dòng)機(jī)利用p±2設(shè)計(jì)(p為轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)極數(shù))。即除p個(gè)極磁通控制電動(dòng)機(jī)外,還利用p+2或p-2磁通作為懸浮控制,在一側(cè)增加磁通,而在另一側(cè)減少磁通,從而控制徑向力[2]。

        圖2為采用永磁式轉(zhuǎn)子(p=4)的自軸承電動(dòng)機(jī)示意圖。

        圖2 四極永磁電動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)及工作原理圖

        假定轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的電流Im按下式計(jì)算:

        式中:Im為電流峰值;ω為電流角頻率;M為轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù);θ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械角度;ψ為電流初始相位角。

        而轉(zhuǎn)子上永久磁鐵產(chǎn)生的磁通密度Br可按下式計(jì)算:式中:BR為磁通分布的峰值,如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于定子中心,磁通分布和定子電流對(duì)稱(chēng)。因此,徑向力是平衡的。

        圖3 四極永磁電動(dòng)機(jī)的磁通分布

        在式(1)的力矩控制電流基礎(chǔ)上疊加一個(gè)懸浮控制電流即可實(shí)現(xiàn)懸浮要求[3]??紤]到懸浮繞組中電流產(chǎn)生的磁通Bf:

        式中:BF1和BF2為磁通分布x、y方向的峰值密度;N為懸浮繞組磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)。因此,氣隙磁通B是式(2)和式(3)的合成。即:

        為了讓學(xué)生能夠提升自己在數(shù)學(xué)方面的綜合能力,教師可以為學(xué)生設(shè)置問(wèn)題數(shù)學(xué)場(chǎng)景,讓他們能夠在思考生活問(wèn)題的同時(shí)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識(shí)。而且,教師在提出生活場(chǎng)景的問(wèn)題時(shí),會(huì)提升學(xué)生參與數(shù)學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣,從而讓他們能夠更加積極主動(dòng)地參與到數(shù)學(xué)知識(shí)的自主探究中。教師可以利用生活情景為學(xué)生提出自主探究問(wèn)題:如小紅要買(mǎi)一件價(jià)值50元的商品,她現(xiàn)在已經(jīng)存了15元錢(qián),還需要存多少錢(qián)才夠買(mǎi)這個(gè)商品?進(jìn)一步教師可以將題目變?yōu)?你的一個(gè)朋友有15元錢(qián),她想送奶奶一件生日禮物,利用報(bào)紙或超市的廣告宣傳單上的價(jià)格表,制訂一個(gè)購(gòu)買(mǎi)計(jì)劃。使學(xué)生自行解決生活場(chǎng)景中的問(wèn)題,能夠提升他們的數(shù)學(xué)探究能力。

        該磁通在θ方向無(wú)限小面積△S上產(chǎn)生徑向力△F,△F可由下式計(jì)算:

        式中:μ0為真空中的磁導(dǎo)率。

        將B=Br-Bf代入上式,則θ=0方向的懸浮合力 Fy由下式給定[4]:

        式中:L為轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度,r為轉(zhuǎn)子半徑。

        當(dāng)M-N=±1時(shí),式(6)變?yōu)楹愣ㄖ?

        其解的示意圖顯示在圖4、圖5(p+2算法)以及圖6、圖7(p-2算法)中。

        圖4 p+2算法時(shí)的懸浮力(轉(zhuǎn)矩磁場(chǎng)極數(shù)=2,懸浮磁場(chǎng)極數(shù)=4)

        同樣,通過(guò)式(5)可計(jì)算出則θ=90°方向的懸浮合力Fx:

        因此,轉(zhuǎn)子在徑向的平面位置可以通過(guò)改變BF1和BF2的幅度來(lái)控制。

        在分析自軸承電動(dòng)機(jī)的控制原理時(shí),我們假定磁通和電流都是線性的,而事實(shí)上磁性材料的磁通和電流都具有非線性特征,這將導(dǎo)致懸浮控制的不穩(wěn)定[5]。同時(shí),由于x方向和y方向軸承力之間產(chǎn)生不同的旋轉(zhuǎn)磁通,也將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率有所下降并產(chǎn)生不必要耦合[6]。因此,在設(shè)計(jì)自軸承電動(dòng)機(jī)時(shí)必須充分考慮以上因素。

        2 實(shí)驗(yàn)分析

        為測(cè)試自軸承電動(dòng)機(jī)的能力,構(gòu)建了一個(gè)水平式實(shí)驗(yàn)裝置,如圖8所示。轉(zhuǎn)子水平放置。由一個(gè)渦流型制動(dòng)系統(tǒng)施加外部轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子重力作為電動(dòng)機(jī)的徑向載荷。轉(zhuǎn)軸的加載端由一個(gè)準(zhǔn)磁軸承支撐,而自由端則裝入所設(shè)計(jì)的自軸承電動(dòng)機(jī)。

        定子由8個(gè)帶線圈的凸極定子近似,其中的電流由各自的功放獨(dú)立控制。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直徑為40.8 mm,寬度為35 mm,而磁軸承的寬度尺寸為25 mm,平均氣隙為0.8 mm。

        圖8 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

        所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)類(lèi)似于傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)。利用表面永磁體寬度變化近似由式(2)計(jì)算的正弦磁通[7]。定子電流由兩個(gè)不同頻率的旋轉(zhuǎn)磁通合成[7],根據(jù)以上理論分析,一個(gè)用于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,另一個(gè)用于懸浮控制。

        懸浮和旋轉(zhuǎn)由一套DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)控制。圖9為其控制系統(tǒng)。

        圖9 數(shù)字控制系統(tǒng)

        系統(tǒng)安裝了4個(gè)氣隙傳感器,用來(lái)測(cè)量x、y方向轉(zhuǎn)子位移。根據(jù)式(7)和式(8)的懸浮理論,定子懸浮電流近似出現(xiàn)在凸極位置,電動(dòng)機(jī)電流近似出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子磁極位置。

        基于所測(cè)量氣隙位移,DSP依據(jù)電動(dòng)機(jī)電流和懸浮控制電流,首先計(jì)算出每個(gè)線圈電流,然后,將懸浮電流和電動(dòng)機(jī)電流疊加送入功放。懸浮控制算法是標(biāo)準(zhǔn)PD控制:

        式中:KP、KD和 TD實(shí)驗(yàn)確定為 KP=2.1 A/mm,KD=0.007 As/mm,TD=0.1 ms。采樣間隔 t=0.1 ms。

        實(shí)驗(yàn)中我們使用兩種永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子:2極和4極。因此,利用p±2算法,可實(shí)現(xiàn)2極式和4極式兩種形式的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的懸浮不平衡響應(yīng)和承載力矩如圖10~圖13所示。

        圖10 不平衡響應(yīng)曲線(2極永磁電動(dòng)機(jī),p+2算法)

        圖11 載荷力矩曲線(2極永磁電動(dòng)機(jī),p+2算法)

        圖12 不平衡響應(yīng)曲線(4極永磁電動(dòng)機(jī),p-2算法)

        圖13 載荷力矩曲線(4極永磁電動(dòng)機(jī),p-2算法)

        實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,以50 r/min的增量增加電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)定速度后,記錄基礎(chǔ)頻率振動(dòng)幅度和承載力矩。由于采用了渦流振動(dòng)系統(tǒng),負(fù)載扭矩隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。我們看不出力矩控制和懸浮控制之間存在耦合,但是x方向和y方向的懸浮控制有輕微的耦合,這主要是由于將永磁體產(chǎn)生的磁通近似成正弦磁通的結(jié)果。

        在p+2算法中,旋轉(zhuǎn)和懸浮控制是穩(wěn)定的。最大旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到4200 r/min,如圖10所示,在p-2算法中,旋轉(zhuǎn)力矩較弱。圖13為其最終不平衡響應(yīng),相對(duì)于p+2算法情形,僅達(dá)到一個(gè)較低的最大速度1200 r/min。這主要是由于定子的磁通失真,明顯地降低了效率。如果能減少磁通失真,可能獲得更大的力矩和更高的速度。

        [1]Bosch P N,Barletta N.High power bearingless slice motor(3 -4kW)for bearingless canned pumps[C]//Proc.of 9th Int.Symp.on Magnetic Bearings,Lexington,Kentucky,USA,2004.CD -ROM.

        [2]Okada Y.Analysis and comparison of PM synchronous motor and induction motor type magnetic bearings[J].IEEE Trans.on Industry Applications,1995,31(5):1047 -1052.

        [3]蔣成勇.NC機(jī)床磁懸浮電主軸控制系統(tǒng)研究.大連交通大學(xué)[D].2006:52 -58.

        [4]景敏卿,劉祖軍,虞烈,磁懸浮軸承數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002(2):30-33.

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        [6]李宜達(dá).控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M].第一版.北京:清華大學(xué)出版社,2004:268-277.

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