張武，徐麗娟

(中國航空研究院 新技術(shù)研究所，北京 100012)

許多現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域如航空航天、高速機床、渦輪分子泵、離心機、壓縮機、飛輪儲能等都受到摩擦阻力的制約。磁浮軸承技術(shù)具有無接觸、易于實現(xiàn)主動控制，且不需要專門的氣壓及液壓系統(tǒng)等優(yōu)點，已成為機電領(lǐng)域中的重要研究方向之一[1-4]。

多電發(fā)動機是一種采用磁懸浮技術(shù)的新型發(fā)動機，其取消了傳統(tǒng)的密封系統(tǒng)和滑油潤滑，利用電氣化傳動附件代替機械液壓式傳動附件，實現(xiàn)發(fā)動機電氣化傳動，簡化了渦扇式發(fā)動機的傳動裝置及啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最終達到減少故障、提高可靠性及發(fā)動機推重比的目標[5-6]。

傳統(tǒng)的動力磁浮軸承或無軸承電動機的懸浮力與轉(zhuǎn)矩之間存在相互耦合，為了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩控制和懸浮控制，相應控制算法非常復雜[7-9]。文獻[7]基于平均懸浮力及平均轉(zhuǎn)矩的思想，研究了無軸承開關(guān)磁阻電動機的控制策略；文獻[8]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的訓練構(gòu)成逆系統(tǒng)，實現(xiàn)無軸承電動機的線性化和動態(tài)解耦。現(xiàn)研究一種新型多電發(fā)動機雙定子極動力磁浮軸承，其懸浮力由內(nèi)定子產(chǎn)生，電磁轉(zhuǎn)矩由外定子產(chǎn)生。與傳統(tǒng)動力磁軸承相比，該磁軸承懸浮力和轉(zhuǎn)矩可以進行獨立控制，實現(xiàn)懸浮力和轉(zhuǎn)矩之間的解耦，并且在任意的轉(zhuǎn)子角度位置都可以保持穩(wěn)定的懸浮運行。

1 運行機理

1.1 結(jié)構(gòu)與原理

新型雙定子極12/8動力磁浮軸承的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中給出的是在一個三相系統(tǒng)中只有定子A相繞組導通的情況。電動機由2種定子組成，外定子用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，為轉(zhuǎn)矩極定子；內(nèi)定子用來產(chǎn)生懸浮力，為懸浮力極定子。轉(zhuǎn)矩繞組A由轉(zhuǎn)矩極A1，A2，A3，A4上的線圈串聯(lián)構(gòu)成；懸浮力極P1，P2，P3，P4上設(shè)計互相獨立的線圈，構(gòu)成了x軸和y軸方向的懸浮繞組。圖中，i1，i2，i3，i4為內(nèi)定子懸浮繞組電流；ima為外定子轉(zhuǎn)矩繞組電流。

圖1 雙定子型動力磁浮軸承結(jié)構(gòu)

當轉(zhuǎn)子在x軸正方向發(fā)生偏移時，電流i1導通，懸浮力極P1產(chǎn)生沿x軸負方向的懸浮力F1；當轉(zhuǎn)子沿y軸正方向發(fā)生偏移時，電流i4導通，懸浮力極P4產(chǎn)生沿y軸負方向的懸浮力F4。F1和F4合成F，其大小和方向可以通過控制懸浮繞組的電流來進行調(diào)整，使轉(zhuǎn)子達到穩(wěn)定懸浮。圖中的正負號表示繞組電流的正負。

磁力線分布圖如圖2所示。當懸浮繞組通電后，沿x軸正方向及y軸負方向的磁通增加，從而分別產(chǎn)生沿x軸負方向及y軸正方向的懸浮力，懸浮繞組產(chǎn)生的磁場可以控制轉(zhuǎn)子的懸浮。

1.2 控制方案實現(xiàn)

動力磁浮軸承的懸浮力及轉(zhuǎn)矩可以表示為

圖2 磁力線分布圖

KFx=KF(cosθF-sinθF-cosθFsinθF) ,

KFy=KF(sinθFcosθF-sinθF-cosθF),

KF=μ0N2LstkRβr/2g2,

KT=μ0N2LstkR/4g，

式中：T為轉(zhuǎn)矩；iF為懸浮電流；iT為轉(zhuǎn)矩繞組電流；iA,iB,iC分別為A，B，C三相繞組中的電流；KF為端部電感系數(shù)；KT，KFx，KFy均為懸浮力系數(shù)[6]；μ0為真空磁導率；N為繞組匝數(shù)；Lstk為電動機長度；R為轉(zhuǎn)子半徑；g為氣隙長度；βr為內(nèi)定子的極弧角度；θF為合力F與x軸正方向的夾角。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過不對稱功率變換器，采用磁滯控制方法對懸浮繞組電流進行控制。動力磁浮軸承的繞組開關(guān)狀態(tài)見表1,狀態(tài)1為變換器供電模式；狀態(tài)0為續(xù)流模式；狀態(tài)-1為變換器回饋模式。

表1 繞組開關(guān)狀態(tài)

2 轉(zhuǎn)矩與懸浮力特性

采用有限元法對動力磁浮軸承進行分析，產(chǎn)生的懸浮力如圖4所示。由圖可知，系統(tǒng)的懸浮力非常平穩(wěn)，在給定電流的情況下，懸浮力幾乎不隨轉(zhuǎn)子位置角的變化而發(fā)生改變，故能夠使用更簡便的算法和更小的電流來控制懸浮力。

圖4 懸浮力特性

轉(zhuǎn)矩電流保持為2 A，改變懸浮繞組控制電流，動力磁浮軸承的輸出轉(zhuǎn)矩如圖5所示。由圖可知，不同懸浮繞組電流下，輸出轉(zhuǎn)矩并不隨軸承的懸浮位移發(fā)生改變，因此軸承的轉(zhuǎn)矩不受懸浮力控制的影響。

圖5 不同懸浮繞組電流下的轉(zhuǎn)矩

懸浮電流保持為2 A，改變轉(zhuǎn)矩繞組電流，動力磁浮軸承的懸浮力如圖6所示。由圖可知，不同轉(zhuǎn)矩繞組電流下，懸浮力幾乎不隨軸承的懸浮位移發(fā)生改變，證明懸浮力不受轉(zhuǎn)矩電流的影響，因此該動力磁浮軸承的懸浮力和轉(zhuǎn)矩可以分別進行獨立控制。

圖6 不同轉(zhuǎn)矩繞組電流下的懸浮力

3 試驗結(jié)果及分析

以動力磁浮軸承、DSP2812、不對稱功率變換器、編碼器以及位移傳感器為核心，搭建了試驗平臺(圖7)，傳感器和編碼器分別檢測轉(zhuǎn)子位移和轉(zhuǎn)速信號，反饋到DSP再由其產(chǎn)生控制信號，驅(qū)動不對稱功率變換器實現(xiàn)對軸承的控制。

圖7 試驗平臺

轉(zhuǎn)子保持不轉(zhuǎn)且在懸浮端可以自由移動，在轉(zhuǎn)子x，y軸上同時施加10 N的懸浮力，在2.5 s時懸浮，通過改變懸浮繞組電流對懸浮位置進行調(diào)節(jié)，靜態(tài)時起浮試驗結(jié)果如圖8所示，由圖可知，轉(zhuǎn)子可以快速運行在平衡位置，完成起浮過程。

圖8 靜態(tài)時起浮試驗結(jié)果

起浮后保持轉(zhuǎn)速1 000 r/min，x，y軸的載荷從10 N減小到0 N，懸浮力突變時的試驗結(jié)果如圖9所示。由圖可知，懸浮繞組電流隨著懸浮力的突變而減小，保證轉(zhuǎn)子在平衡位置的穩(wěn)定運行。

圖9 懸浮力突變時的試驗結(jié)果

轉(zhuǎn)子靜態(tài)起浮后，轉(zhuǎn)矩繞組電流導通，轉(zhuǎn)子無偏心位移且懸浮在平衡位置，以1 000 r/min的速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。5 s時使轉(zhuǎn)子從1 000～2 000 r/min加速運行，試驗結(jié)果如圖10所示。由圖可知，當轉(zhuǎn)速增大時，轉(zhuǎn)矩電流迅速增加，以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，此時轉(zhuǎn)子仍然在平衡位置保持穩(wěn)定懸浮，并且過渡過程中轉(zhuǎn)子偏心誤差很小，軸承可以穩(wěn)定運行。此外，當轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，懸浮繞組電流和轉(zhuǎn)子懸浮位置均不變，說明轉(zhuǎn)矩電流對懸浮力不產(chǎn)生影響，該動力磁浮軸承的懸浮控制和轉(zhuǎn)矩控制可以實現(xiàn)獨立解耦。

圖10 加速運行試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

針對多電航空發(fā)動機研制了一種12/8雙定子動力磁浮軸承。通過有限元分析可知，該動力磁浮軸承可以產(chǎn)生相互獨立可控的轉(zhuǎn)矩和懸浮力，同時懸浮力不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而發(fā)生改變，可以簡化控制算法。 在靜態(tài)起浮、懸浮力突變和動態(tài)時調(diào)速等情況下，該動力磁軸承能夠穩(wěn)定運行，且轉(zhuǎn)子的偏心誤差較小，同時轉(zhuǎn)矩繞組電流變化對懸浮力不產(chǎn)生影響，進一步證明了轉(zhuǎn)矩與懸浮力可實現(xiàn)獨立解耦。