磁悬浮开关磁阻电动机研究

磁悬浮开关磁阻电动机研究 吴建兵 孙玉坤 吉敬华

中图分类号:TM352 文献标识码:A 文章编号:1001 6848(2007)07 0079 07

磁悬浮开关磁阻电动机研究

吴建兵,孙玉坤,吉敬华

(江苏大学电气信息工程学院,镇江212013)

摘 要:磁悬浮开关磁阻电机是高速电机领域的一个研究热点。分析了磁悬浮开关磁阻电机的基本原理,对电机数学模型的发展进行了详细的论述,在考虑和不考虑转子偏心的情况下对磁悬浮开关磁阻电机的磁场作了有限元分析和计算。有限元分析结果验证了电机数学模型的有效性。还介绍了磁悬浮开关磁阻电机空载和负载的实验情况,针对磁悬浮电机的非线性、多变量、强耦合的特点引进了一些先进的解耦控制算法。仿真结果验证了各控制算法的可行性。关键词:开关磁阻电动机;磁悬浮;数学模型;有限元分析;解耦控制

ResearchonBearinglessSwitchedReluctanceMotors

WUJian bing,SUNYu kun,JIJing hua(JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

ABSTRACT:Bearinglessswitchedreluctancemotors(BSRM)obtaingreatattentioninthedomainofhigh speedmotor.ThispaperpointsoutthesignificanceoftheresearchandanalyzesthemainprincipleofBSRM.ThedevelopmentofBSRM smathematicmodelisdescribedindetai.lForBSRMs'magneticfield,thefiniteelementanalysis(FEA)isdoneconsideringtherotordisplacementornotandtheFEAresultsprovethevalidityofBSRM smathematicmode.lThepaperintroducesthefactualBSRMexperi mentundernoloadandfullload.Forthenonlinear,multivariableandseverelycoupledBSRMsystem,someadvanceddecouplingcontrolalgorithmsareused.Thesimulationresultsshowthefeasibilityofthesecontrolalgorithms.

KEYWORDS:Switchedreluctancemotor;Bearingless;Mathematicmode;lFinite elementanalysis;Decouplingcontrol

悬浮力绕组,打破原气隙磁场的平衡,产生作用在转子上的悬浮力来实现转子的稳定悬浮,避免了轴承的机械摩损,并且不占用额外的轴向空间,同时具备旋转和悬浮功能。将磁轴承绕组和电机定子绕组有规律地绕在一起,利用电力电子技术和计算机技术使电机同时具备驱动和自悬浮能力。这是高速电机研究领域的重大突破。这个概念最初由R Bosch于80年代末提出后

[2]

[1]

0 引 言

开关磁阻电机由于结构简单、转子无绕组、容错性强等优点决定了它可以实现超高速运行,而机械轴承的磨损严重制约着开关磁阻电机的转速。用磁轴承代替机械轴承,避免了机械磨损,但电机的轴向长度变长,电机的临界转速受到限制;另一方面,磁轴承结构复杂、成本高,而利用磁悬浮电机技术可使磁悬浮开关磁阻电机既具有开关磁阻电机的优点,又具备磁轴承的特点。磁悬浮开关磁阻电机利用电机定子与轴承机械结构的相似性,在原有的电机定子绕组上附加一套

,在瑞士的

J Bichsel实现了永磁同步电机的磁悬浮技术之

,磁悬浮电机技术的研究引起了重视。国外主要有瑞士联邦工学院、东京理工大学、东京工学院等研究机构在磁悬浮领域有深入研究,且有部分科研成果已转化为商品

[1 9]

。国内南京航空航

收稿日期:2007 01 17

基金项目:国家自然科学基金项目(60174052)

天大学、西安交通大学、江苏理工大学、浙江大学、沈阳工业大学等高校也正致力于磁悬浮电机

微电机 2007年 第40卷 第7期(总第163期)

方面的研究

[10 25]

。国际电工学科通常将磁悬浮电

旋转转矩的产生和开关磁阻电机转子运行原理一样,按照一定的顺序给各相主绕组通以电流,由于凸极效应,产生切向磁拉力从而形成磁阻转矩。

机归属于电磁轴承类技术。目前有两个关于电磁轴承技术的国际会议定期召开。其一为两年一次的 国际磁悬浮轴承会议!(InternationalSymposiumonMagneticBearings)

[26]

,其二为两年召开一次的

[27]

国际磁悬浮技术会议!(InternationalSymposiumonMagneticSuspensionTechnology)

。磁悬浮电机领

域研究的电机类型主要有磁悬浮永磁同步电机、磁悬浮感应电机、磁悬浮磁阻电机、磁悬浮薄片电机和磁悬浮开关磁阻电机

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2 数学模型的发展

磁悬浮开关磁阻电机所有控制策略的确定都是围绕悬浮力和转矩进行的。径向悬浮力和转矩推导的基本思路和步骤为:首先运用磁路等效的方法求出由气隙磁导表示的绕组电感矩阵,然后通过有限元辅助分割磁场法得到磁导的解析式,将磁导的解析式代入电感矩阵,根据电感矩阵求解出磁场储能;最后根据机电能量转换原理和磁场储能对转子径向位移的偏导数,即为转子在该方向上受到径向悬浮力,磁场储能对转子旋转角度的偏导数为电机的瞬时电磁转矩。

就公开发表的文献看,数学模型方面的改进和完善工作主要集中在如何更加精确计算气隙磁导方面。磁悬浮开关磁阻电机的数学模型发展主要经历了以下几个阶段。

(1)文献[27]中讨论了磁路不饱和情况下的数学模型,忽略转子在 和 方向上所受悬浮力的耦合,不计转子偏心。在计算定、转子齿偏离时的边缘磁导部分时做了非常大的近似,认为边缘磁通路径由极间直线加1/4个圆弧构成。根据理论分析,12/8极的开关磁阻电机在定、转子齿轴线重合时,绕组线圈的自感应该达到最大,而此文献采用的这种近似导致了最终得出的绕组自感曲线在定、转子齿对齐时并没有达到最大,而出现了塌陷,这和实际情况不符。

(2)文献[7]考虑了转子在有偏心位移 和 时的受力情况,不考虑磁饱和,在计算磁导时,只计及极间磁导而忽略边缘磁导。对于一定的转动位置 ,径向悬浮力与绕组电流的平方以及偏心位移 和 成正比关系。定、转子极轴线对齐时,径向悬浮力最大,越偏离对齐位置,悬浮力越小。该模型没有考虑 和 方向上所受悬浮力的耦合。

(3)文献[8]考虑了转子在 和 方向上所受悬浮力的耦合作用,但是仍然忽略了磁饱和。从推导出的悬浮力表达式可以看出,仅有 方向的悬浮绕组通电时转子不仅仅受到 方向的力,也同时受到 方向的力,这是和磁场有限元分析相符合的。该文献考虑了 方向的偏心引起在 方向上

。其中磁悬浮开关

磁阻电机起步最晚,相比其他几种结构的磁悬浮电机来说技术最不成熟。日本学者MasatsuguTake moto从上世纪90年代末开始进行多项磁悬浮开关磁阻电机方面的研究

[5 9]

。关于磁悬浮开关磁阻电

[27]

机的科学文献从1998年开始公开发表验研究,取得了初步成果

[15 16]

。国内南

京航空航天大学和江苏大学进行了部分理论和实

。

1 径向悬浮力和转矩产生原理

如图1所示,以A相a轴为例,径向相对的4极绕组串联而成的主绕组产生了偏置磁通(图中实线所示),径向相对的两极绕组串联而成的径向力绕组产生的磁通(图中虚线所示)分别对偏置磁通产生增强(气隙1处)和削弱(气隙2处)的作用,由此产生了对转子水平向右的径向悬浮力F 。径向悬浮力绕组电流反向时,可产生水平向左的径向悬浮力。同理,通过主绕组和与 轴垂直的 轴的径向悬浮力绕组可产生 轴径向力F 。F 、F 可以合成所需的任意方向的径向悬浮力。该原理同样适用于B相和C相(B相、C相绕组分别位于A相旋转方向的1/3和2/3旋转位置处)。三相主绕组每隔15 轮流导通,根据转子径向位移的负反馈控制,可以产生

转子悬浮所需的 …… 此处隐藏：12876字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……