感應(yīng)型無軸承電機(jī)的優(yōu)化氣隙磁場定向控制
發(fā)布日期：2020/8/5點(diǎn)擊次數(shù)：1073
無軸承電機(jī)是電磁軸承與交流電機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物，它將產(chǎn)生徑向磁懸浮力的電磁軸承繞組嵌放進(jìn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電樞鐵心中，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子同時(shí)具有旋轉(zhuǎn)和自懸浮支撐的能力，有效地解決了電機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速與大容量化的理論基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵，開拓了比電磁軸承更為廣泛的應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，必須對徑向磁懸浮力進(jìn)行有效控制，但懸浮力與電磁轉(zhuǎn)矩之間、垂直與水平懸浮力之間存在耦合。由于磁懸浮力是無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組與懸浮繞組產(chǎn)生的氣隙磁場有源不平衡的結(jié)果，因而必須采用氣隙磁場定向控制才能實(shí)現(xiàn)解費(fèi)和確保穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。
國內(nèi)外已有不少對感應(yīng)型無軸承電機(jī)氣隙磁場定向控制進(jìn)行過研究，這種控制方式能在負(fù)載下、動(dòng)態(tài)中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，但不能實(shí)現(xiàn)兩垂直方向懸浮力的完全解耦。進(jìn)一步的分析表明，懸浮力的完全解耦不是發(fā)生在準(zhǔn)確的氣隙磁鏈定向方式下，而是在氣隙磁鏈?zhǔn)噶颗c定子磁鏈?zhǔn)噶恐g某一磁鏈?zhǔn)噶可隙ㄏ驎r(shí)才可獲得，這意味需要通過對氣隙磁鏈?zhǔn)噶繉?shí)行幅值和相位的實(shí)時(shí)修正。文提出了一種通用磁場定向控制器的概念，它可通過設(shè)定參數(shù)'V/“來設(shè)置定向磁通矢量的位置，以適應(yīng)現(xiàn)有的任何一種磁場定向控制方式。這些研究雖然敏銳地提出了問題，但沒有運(yùn)用這些思想構(gòu)成無軸承電機(jī)實(shí)現(xiàn)完全解耦的解決方案，更未進(jìn)行針對轉(zhuǎn)子參數(shù)變化、電機(jī)鐵磁非線性飽和影響的運(yùn)行分析和對策研究。
為深化、實(shí)現(xiàn)這一解耦控制思想，本文首先建立起感應(yīng)型無軸承電機(jī)氣隙磁場定向控制模型，進(jìn)行穩(wěn)定懸浮運(yùn)行仿真。針對無軸承電機(jī)實(shí)際存在鐵磁非線性飽和、大動(dòng)態(tài)及過載下轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的實(shí)際工況，本文通過非線性建模及仿真，指出必須對定向氣隙磁鏈實(shí)現(xiàn)幅值和相位的修正，進(jìn)而提出了優(yōu)化氣隙磁場定向的新穎動(dòng)態(tài)解費(fèi)控制策略。同時(shí)還提出了基于通用磁場定向控制器的優(yōu)化氣隙磁場定向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，解決了運(yùn)行中跟蹤和動(dòng)態(tài)調(diào)整定向磁通矢量的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，為感應(yīng)型無軸承電機(jī)穩(wěn)定懸浮所需的非線性動(dòng)態(tài)解耦控制提供了實(shí)現(xiàn)途徑。
2氣隙磁場定向控制2.1概述為感應(yīng)型無軸承電機(jī)磁懸浮力產(chǎn)生原理示意圖，其中1和褚為4極轉(zhuǎn)矩繞組，和為2極懸浮繞組。如果按圖示極性給各繞組通入相應(yīng)電流，則2極磁場將與4極磁場相疊加，致使區(qū)域1氣隙磁密增加、區(qū)域2氣隙磁密減少，不平無軸承電機(jī)磁懸浮力產(chǎn)生原理圖衡的氣隙磁通密度使電機(jī)轉(zhuǎn)子上承受了沿方向的磁懸浮力，促使轉(zhuǎn)子上浮。為實(shí)現(xiàn)對懸浮力的精確控制，關(guān)鍵是建立實(shí)現(xiàn)無軸承電機(jī)系統(tǒng)解耦的氣隙磁場定向控制模型，包括懸浮力模型和轉(zhuǎn)矩模型。2.2懸浮力模型根據(jù)文，若不計(jì)轉(zhuǎn)子偏心影響，感應(yīng)型無軸承電機(jī)在氣隙磁場定向下水平和垂直兩正交方向上磁懸浮力？杀硎緸闉4極氣隙磁場與轉(zhuǎn)矩繞組交鏈的磁鏈；i4，為轉(zhuǎn)矩繞組的勵(lì)磁電感，/.4，為轉(zhuǎn)矩繞組勵(lì)磁電流幅值；/2l/、/2l/分別為懸浮繞組在同步速么《坐標(biāo)系中分量電流；r為轉(zhuǎn)子外徑；/為電機(jī)有效鐵心長度；叫、處分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù)；戈為平均氣隙長度。
由此可見在氣隙磁場定向條件下，憑據(jù)懸浮繞組的分量電流就可獨(dú)立地控制兩垂直方向的磁懸浮力。這樣，在無軸承電機(jī)懸浮控制中可以通過檢測轉(zhuǎn)子位移來生成懸浮力值，再按下式計(jì)算出懸浮繞組的電流2.3轉(zhuǎn)矩模型同步速么9坐標(biāo)系中表示的感應(yīng)型無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組電壓方程為與轉(zhuǎn)子間每相互感；⑴為電源角頻率；叫為轉(zhuǎn)速角頻率；D=d/d/為微分算子。下標(biāo)么為轉(zhuǎn)矩繞組么3軸分量，*V、/為定、轉(zhuǎn)子量。
轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的氣隙磁鏈巧，可表示為在氣隙磁場定向條件下由此可得將式（6）代入式（3）第三、四行，分別得到/2=i2-M；2；=i，。/i，。為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；（=出-叫為滑差角頻率，=電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程為計(jì)及式（6）的關(guān)系=普D屮‘則Us可見在氣隙磁場定向條件下，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩繞組g軸電流可獨(dú)立地控制電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與懸浮力之間的解。氣隙磁場定向下的轉(zhuǎn)矩控制原理如所示。
影響，對附錄中的感應(yīng)型無軸承電機(jī)進(jìn)行了氣隙磁場定向矢量控制下的運(yùn)行仿真。其中磁懸浮力解析模型式（1）的正確性已采用電機(jī)電磁場專用設(shè)計(jì)軟件ANSOFT進(jìn)行了有限元的分析和驗(yàn)證。
為無軸承電機(jī)空載起動(dòng)過程轉(zhuǎn)子辨由方向位移的變化，設(shè)靜止時(shí)初始?xì)庀镀臑锳FA；0=O.3mm.從（a）、（b）看出，起云力時(shí)轉(zhuǎn)速《迅速從靜止升至1420r/min，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于0.6%，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差小于0.3r/min.在氣隙磁場定向控制下轉(zhuǎn)子獲得了穩(wěn)定懸浮，々方向位移穩(wěn)定在±60|im范圍內(nèi)。（c）、（d）分別為氣隙磁鏈幅值及其相位％，變化，相位角指實(shí)際氣隙磁鏈與定向用氣隙磁鏈之間的相位偏差。
3轉(zhuǎn)子參數(shù)及鐵磁飽和對懸浮的影響以上運(yùn)行仿真是基于無軸承電機(jī)的理想工況，但在實(shí)際運(yùn)行的加速、加載或過載中，負(fù)載突增引起電機(jī)轉(zhuǎn)差增大，轉(zhuǎn)子回路運(yùn)行頻率上升，集膚效應(yīng)的影響會(huì)使轉(zhuǎn)子電阻增加、轉(zhuǎn)子漏感變小，轉(zhuǎn)子電流增大，致使電機(jī)飽和程度增加。這些運(yùn)行中的實(shí)際因素都會(huì)影響無軸承電機(jī)動(dòng)態(tài)中的懸浮性能。
為轉(zhuǎn)子電阻增大1.5倍、轉(zhuǎn)子漏感減小20%、轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)減小將近一半時(shí)，電機(jī)突加5N+m額定負(fù)載轉(zhuǎn)子方向位移的變化？梢园l(fā)現(xiàn)負(fù)載后，轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的氣隙磁場幅值增大為原來1.28倍，相移了0.16rad，即實(shí)際氣隙磁鏈向轉(zhuǎn)子磁鏈方向偏移，破壞了原有的氣隙磁場精確定向，致使轉(zhuǎn)子位移由±60|jm增大到±160|jm.為考察鐵磁非線性飽和對懸浮性能的影響，給出了通過ANSOFT軟件電磁場計(jì)算求得的樣機(jī)氣隙磁密與轉(zhuǎn)矩繞組勵(lì)磁分量電流的非線性關(guān)系曲線，額定運(yùn)行點(diǎn)在勵(lì)磁電流/4，=2.8A、氣隙磁密1.2T處。根據(jù)這個(gè)非線性關(guān)系和式（1）的懸浮力計(jì)算公式，求得a、方向懸浮力表達(dá)為出，當(dāng)懸浮繞組電流增大后，由于直接飽和的影響，氣隙磁密增幅減小，懸浮力不再與電流成正比增大。****懸浮力出現(xiàn)在勵(lì)磁電流/4，=2.8A時(shí)，若勵(lì)磁分量電流進(jìn)一步增大，懸浮力還會(huì)下降。
計(jì)算了不同轉(zhuǎn)矩繞組勵(lì)磁分量電流/4，下，氣隙磁鏈?zhǔn)苻D(zhuǎn)矩分量電流/，的影響？梢钥闯，氣隙磁鏈隨轉(zhuǎn)矩分量電流/，的增大而減小，在較大的勵(lì)磁電流/4，下，氣隙磁鏈下降的速率變緩。這是由于q軸轉(zhuǎn)矩電流增大后，交叉飽和程度進(jìn)一步提高，使得在同樣的勵(lì)磁分量電流下軸氣隙磁鏈隨轉(zhuǎn)矩分量電流的增加而減小，此外氣隙磁鏈的方向還會(huì)隨轉(zhuǎn)矩分量電流的增加而發(fā)生改變，顯然這都將導(dǎo)致磁懸浮力減小，影響電機(jī)穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。
ANSOFT軟件求得的轉(zhuǎn)子懸浮力F與轉(zhuǎn)矩繞組勵(lì)fe分量電流/4m、懸浮繞組電流/2的關(guān)系。可以看無軸承電機(jī)中的鐵磁飽和基本上由兩種原因造成：一是產(chǎn)生懸浮力所需懸浮繞組電流的直接作用，二是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩所需的轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)矩分量電流的間接作用。由于無軸承電機(jī)氣隙磁場主要由轉(zhuǎn)矩繞組中勵(lì)磁分量電流產(chǎn)生，轉(zhuǎn)矩分量電流對飽和的間接作用實(shí)際是《軸交叉飽和的一種表現(xiàn)。
為考慮所示鐵磁非線性飽和后、通過氣隙磁鏈與轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)速分量電流的關(guān)系將以上氣隙磁場飽和的影響考慮進(jìn)懸浮力模型，便可進(jìn)行飽和對轉(zhuǎn)子懸浮影響的仿真研究。當(dāng)負(fù)載由零突然過載一倍至lON.m時(shí)，轉(zhuǎn)子方向位移以及氣隙磁鏈的幅值與相位均發(fā)生變化，如所示。可以看出，由于々增大，轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的氣隙磁場飽和，磁通幅值減小為原來0.81倍，相移超前0.15rad，致使氣隙磁場無法實(shí)現(xiàn)精確定向，轉(zhuǎn)子隙磁鏈定向基礎(chǔ)上，針對轉(zhuǎn)子參數(shù)變化、電機(jī)鐵磁飽和影響等因素，對定向用氣隙磁鏈大小、相位進(jìn)行修正，尋找出一種優(yōu)化的氣隙磁場定向方式，確保在大動(dòng)態(tài)、過載下的完全解耦。
4優(yōu)化氣隙磁場定向控制策略這是一種不同于標(biāo)準(zhǔn)氣隙磁場定向、需采用通用磁場定向控制器實(shí)現(xiàn)的新型動(dòng)態(tài)定向解耦控制。通用磁場定向控制器原理框圖如0所示，控制器中定義了一個(gè)系數(shù)'、/“，通過選擇不同的值，可以靈活地選擇定向用磁通矢量*.表1中給出不同《值對應(yīng)的磁通矢量。
運(yùn)用通用磁場定向器的概念，可以對電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化、磁飽和影響等實(shí)際因素致使氣隙磁通矢量幅值及相位的變化進(jìn)行處理；通過選取適當(dāng)?shù)闹担瑒?dòng)態(tài)地改變控制器的磁通矢量，實(shí)現(xiàn)氣隙磁鏈實(shí)時(shí)修正后的精確定向。
1給出了轉(zhuǎn)子電阻和漏感變化時(shí)氣隙磁鏈相位超前角的變化規(guī)律，圖中轉(zhuǎn)子每相電阻、漏感均為標(biāo)幺值？梢钥闯，隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大和漏感的減小，電機(jī)中實(shí)際的氣隙磁鏈會(huì)比選作的磁鏈?zhǔn)噶繙，即偏向轉(zhuǎn)子磁鏈方向，如2所，J、2表示了通用磁場定向控制器中值的選擇與磁鏈相移角的關(guān)系！<1時(shí)，隨著的減小，向轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縍方向移動(dòng)，氣隙磁鏈相位變得滯后；（/>1時(shí)，隨著的增大，向定子磁鏈?zhǔn)噶糠较蛞苿?dòng)，氣隙磁鏈相位變得超前。這個(gè)超前角正好可以用來抵消由于參數(shù)變化而引起的氣隙磁鏈相位偏移，使氣隙磁場重新達(dá)到準(zhǔn)確定向。
2值與相位的影響采用類似方法可以實(shí)現(xiàn)針對鐵磁飽和影響的氣隙磁鏈幅值和相位的修正。一種考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)變化和計(jì)及飽和影響的感應(yīng)型無軸承電機(jī)優(yōu)化氣隙磁場定向控制系統(tǒng)如3所示。圖中利用氣隙磁鏈值和由氣隙磁鏈觀測器獲得的實(shí)測值來實(shí)現(xiàn)幅值、相位的修正和通用磁場定向控制器參數(shù)值的選取。
3優(yōu)化氣隙磁場定向控制系統(tǒng)框圖根據(jù)3的優(yōu)化磁場定向控制模型，進(jìn)行了過載條件下無軸承電機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的仿真。以轉(zhuǎn)子參數(shù)變化為例，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大為1.5倍、漏感減小20%時(shí)，氣隙磁鏈I//，相對于磁鏈I//：。會(huì)滯后5.16°（1），為修正這個(gè)相移偏差，通用磁場控制器選取了《=1.05.又由于這種變化使氣隙磁鏈增大了1.28倍，故幅值修正時(shí)氣隙磁鏈將縮小為原來的1/1.28.經(jīng)過這種自動(dòng)修正后的仿真結(jié)果如4所示。
4轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)減小、突加負(fù)載時(shí)優(yōu)化氣障磁場定向控制仿真結(jié)果當(dāng)負(fù)載由零突然過載至lON.m時(shí)，飽和現(xiàn)象明顯，經(jīng)優(yōu)化氣隙磁場定向控制方式修正后的轉(zhuǎn)子懸浮性能如5所示。由于優(yōu)化氣隙磁場定向控制實(shí)現(xiàn)了對定向用氣隙磁鏈?zhǔn)噶康膭?dòng)態(tài)修正，有效地消除了轉(zhuǎn)子參數(shù)變化、鐵磁非線性飽和等實(shí)際因素對電機(jī)懸浮性能的影響，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)、過載下懸浮力的動(dòng)態(tài)解耦。
5考慮鐵磁飽和時(shí)優(yōu)化氣隙磁場定向控制仿真結(jié)果5結(jié)論無軸承電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化、磁飽和現(xiàn)象的影響，使得磁懸浮力不能完全解費(fèi)，其原因是定向用氣隙磁鏈?zhǔn)噶砍霈F(xiàn)了幅值及相位的偏差，本文對此現(xiàn)象通過仿真進(jìn)行了深入的研究和分析，揭示了其中的規(guī)律。同時(shí)基于交流調(diào)速技術(shù)中通用磁場定向控制器的概念，提出了一種優(yōu)化氣隙磁場定向控制策略及其控制系統(tǒng)，通過對定向用氣隙磁場幅值和相位的實(shí)時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)型無軸承電機(jī)大動(dòng)態(tài)、過載下的動(dòng)態(tài)完全解耦控制，使實(shí)際運(yùn)行工況下無軸承電機(jī)仍能獲得懸浮力的理想解耦控制和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮運(yùn)行，為實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行控制提供了實(shí)施途徑。
