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        整體式同心四環(huán)冗余軸向磁懸浮軸承重構(gòu)電磁力分析

        2021-03-06 07:43:08
        電工材料 2021年1期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        付 靖

        (河南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003)

        引言

        隨著磁懸浮技術(shù)在超高速超精密加工、航空航天等高科技領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,可靠性已成為影響其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素[1-3]。如何進(jìn)一步提高磁懸浮軸承的可靠性是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),而冗余重構(gòu)是提高磁懸浮系統(tǒng)可靠性最重要的方法之一。為了提高磁懸浮軸承系統(tǒng)的可靠性,國(guó)內(nèi)外科研人員針對(duì)磁懸浮軸承系統(tǒng)進(jìn)行了冗余結(jié)構(gòu)、容錯(cuò)控制方法以及失效重構(gòu)后的電磁力等基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行了大量的科學(xué)研究[4-7]。

        1 磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        1.1 軸向磁懸浮軸承的冗余結(jié)構(gòu)形式

        從軸向磁懸浮軸承的研究現(xiàn)狀來(lái)看,目前軸向磁懸浮軸承定子普遍采用整體式同心單環(huán)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)自身不具備冗余性,當(dāng)控制回路中任一元件失效,則該結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行重構(gòu)。本研究在單環(huán)無(wú)冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)充同心四環(huán)冗余軸向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)。

        1.2 同心四環(huán)軸向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        同心四環(huán)軸向磁懸浮軸承在體積一定(軸承內(nèi)徑為30 mm,外徑為95 mm,氣隙為1 mm,線圈腔占空比為0.7)、電流一定的條件下(初始電流1A),利用MATLAB對(duì)同心四環(huán)軸向磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使軸向磁懸浮軸承的電磁力F達(dá)到最大,以此確定同心四環(huán)軸向磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)尺寸(在前期研究基礎(chǔ)上,同心四環(huán)軸向磁懸浮軸承優(yōu)化結(jié)構(gòu)如表1所示)。同心四環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        表1 同心四環(huán)結(jié)構(gòu)MATLAB結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終結(jié)果

        圖1 同心四環(huán)軸向磁懸浮軸承幾何結(jié)構(gòu)示意圖

        2 同心四環(huán)冗余磁懸浮軸承重構(gòu)時(shí)電磁力分析

        2.1 重構(gòu)時(shí)補(bǔ)償電流計(jì)算

        假設(shè)同心四環(huán)冗余結(jié)構(gòu)的軸向磁懸浮軸承在失效前每組線圈通入的電流為1 A,同心單環(huán)磁懸浮軸承的電磁力計(jì)算公式為[3]:

        式中:μ0為空氣磁導(dǎo)率;N為線圈繞組的匝數(shù);i為通入線圈的電流;A為磁路中的有效磁極面積;x為定子與轉(zhuǎn)子之間氣隙的長(zhǎng)度。

        同心四環(huán)結(jié)構(gòu)為四組線圈并聯(lián),所產(chǎn)生電磁力為同心單環(huán)結(jié)構(gòu)電磁力的4倍,即

        當(dāng)同心四環(huán)結(jié)構(gòu)失效時(shí),為保證重構(gòu)后磁懸浮軸承可以正常工作,要求磁懸浮軸承在補(bǔ)償電流作用下,重構(gòu)前后的電磁力不發(fā)生改變,即:

        式中,i1為失效后補(bǔ)償電流大小,m為未失效線圈個(gè)數(shù)。

        同心四環(huán)冗余軸向磁懸浮軸承的四組線圈設(shè)置最外一組線圈到最里面的一組線圈依次標(biāo)為a1、a2、a3、a4。當(dāng)所通電流為1 A,同心四環(huán)冗余軸向磁懸浮軸承未失效時(shí)電磁力為403.45 N。當(dāng)不同線圈失效時(shí),在補(bǔ)償電流作用下重構(gòu)后電磁力仿真結(jié)果如圖2所示。

        圖2 不同線圈失效時(shí),補(bǔ)償電流作用下重構(gòu)后電磁力仿真結(jié)果

        2.2 一組線圈失效時(shí),補(bǔ)償電流作用下電磁力分析

        已知一組線圈失效時(shí),補(bǔ)償電流為1.15 A,當(dāng)線圈a1、a2、a3、a4分別失效時(shí),在補(bǔ)償電流作用下重構(gòu)后電磁力的大小結(jié)果如圖2(a)所示。從同心四環(huán)結(jié)構(gòu)一組線圈失效時(shí)電磁力仿真結(jié)果可知:當(dāng)線圈a1、a4分別失效時(shí)與失效前的電磁力近乎相等,這是由于線圈a1、a4處于四組線圈的最外緣,對(duì)四環(huán)結(jié)構(gòu)工作時(shí)產(chǎn)生的耦合影響較小,因此當(dāng)其失效時(shí),在補(bǔ)償電流作用下可以近似達(dá)到失效前的電磁力;當(dāng)線圈a2、a3分別失效時(shí),由于線圈a2、a3處于處于四環(huán)結(jié)構(gòu)的中間位置,當(dāng)其失效時(shí),其左右兩側(cè)磁極面積上磁力線大幅度減少,使電磁力大幅度下降。

        2.3 兩組線圈失效具體情況分析

        當(dāng)兩組線圈失效時(shí),補(bǔ)償電流為1.41 A。對(duì)于兩組線圈失效,有六種失效情況,其每種失效形式重構(gòu)后的電磁力仿真結(jié)果如圖2(b)所示。從同心四環(huán)結(jié)構(gòu)兩組線圈失效時(shí)電磁力仿真結(jié)果可知:當(dāng)線圈a1、a4失效時(shí)電磁力仿真結(jié)果接近于失效前的電磁力仿真結(jié)果。這是由于線圈a1、a4處于四組線圈的最外緣,對(duì)于四環(huán)結(jié)構(gòu)工作時(shí)產(chǎn)生的耦合影響較小,而其余正常線圈分布集中,和失效前的工作情況相似,因此在補(bǔ)償電流作用下與失效前的電磁力近似相等。

        2.4 三組線圈失效具體情況分析

        當(dāng)三組線圈失效時(shí),補(bǔ)償電流為2 A。在三組線圈失效時(shí),一共有三種情況,其每種失效形式的電磁力仿真結(jié)果如圖2(c)所示。從同心四環(huán)結(jié)構(gòu)三組線圈失效時(shí)電磁力仿真結(jié)果可知:線圈a2、a3、a4失效時(shí),在補(bǔ)償電流作用下的電磁力仿真結(jié)果數(shù)值很小,因?yàn)檎M娋€圈是軸承最外圈的線圈a1,使得四環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部磁極面積上的磁力線大幅度降低,因此其電磁力與失效前的電磁力差別很大。

        3 結(jié)論

        (1)當(dāng)四環(huán)結(jié)構(gòu)的最外部線圈失效時(shí),由于耦合影響較小,對(duì)磁極面積上磁力線分布影響較小,在補(bǔ)償電流的作用下所產(chǎn)生的電磁力和失效前電磁力差別不大。

        (2)中間線圈失效時(shí),由于耦合影響較大,對(duì)磁極面積上磁力線分布影響較大,在補(bǔ)償電流的作用下所產(chǎn)生的電磁力和失效前電磁力差別較大。

        (3)失效環(huán)數(shù)越多,在補(bǔ)償電流作用下,重構(gòu)后的電磁力與失效前的電磁力差別越大,磁懸浮軸承的可靠性越低。

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