无轴承永磁同步电机运行机理的探索与优化

关键词： 电机 轴承 离心机 引言

一、引言

无轴承电机是由瑞士学者Bocsh[1]于1988年第一次提出。随着机械行业的发展, 无轴承电机需求显著增多, 无轴承电机技术水平迅猛提高, 使其取得了不错的成绩[2]。并且随着对离心机、航空航天等领域深入研究, 无轴承电机显现出了极其重要的科研与应用前景。无轴承电机有多种类型。相较于其他类型, 无轴承永磁同步电机具有显著优势, 比如:结构简单、效率高、运行可靠、控制性能好, 但也存在诸如弱磁相对困难等特性[6]。但由于其各行各业市场的需求和广泛的应用前景, 使其逐渐完善无轴承永磁同步电机的缺点, 并且随着对于无轴承电机研究的深入, 其主要从电机结构参数、控制系统等方面进行优化设计, 来从整体提高无轴承电机的工作效能和控制性能。

二、无轴承永磁同步电机的研究方向探索

(一) 数学模型[6]

利用建立数学模型以此来分析无轴承永磁同步电机, 对其提出改善优化设计, 是这种电机研究方向之一。运用数学模型进行分析能够比较客观的反应电机内部各个参数的相互关系, 为对电机设计和评价提供参考价值, 但运用数学模型过于定量化分析, 无法准确模拟现实情况。

为了方便进行建立数学模型, 先进行以下下假设:

(1) 在径向悬浮力分析中, 只需考虑麦克思韦力作用。

(2) 位移传感器中心线与悬浮控制、转矩绕组的x轴、相量时间轴和空间相轴一样, x轴的空间角比y轴落后90°。

设B是电机的气隙磁密, 根据下列公式能计算出转子单位面积d A承受的麦克斯韦力, 即:

上式里, µ0是真空磁导率。

式 (2) 和 (3) 分别为位于x、y轴的分量, 即:

上式里, l是铁心有效长度;r是转子外径;ϕ是空间位置角。

由于在电机中, 转矩绕组、控制绕组和转子永磁体共同构成气隙磁密, 则:

式中ˆB1为转子永磁体、转矩绕组一起组成的气隙磁密幅值, Bˆ2是只有一个控制绕组时气隙磁密的幅值。λ、µ分别表示初始相位角。其中, 下标“1”表示转矩绕组, 下标“2”表示控制绕组 (后文下标与此一样) 。

把 (4) 代到式 (2) 和 (3) 之中, 根据微积分计算法则, 在p=1 p2+1的条件下, 能计算出沿着x和y轴的麦克斯韦力分量, 即:

利用下列公式能计算出麦克斯韦力的幅值, 即:

悬浮力在径向维度上的时空相量关系如图1所示。

由式 (5) 和 (6) 不难发现, 要想对悬浮力在x和y轴的分量进行控制, 要对气隙磁场相对位置进行准确控制。各极气隙磁通幅值如下所示, 即:

每相气隙磁链幅值为

上式里, W1表示转矩绕组匝数;W2表示控制绕组匝数。

由于气隙磁场受控制绕组约束, 而电流i2会约束控制绕组, 那么能够计算出控制绕隙磁链幅值, 即:

上式里, Lm 2和分别表示控制绕组的互感和电流幅值。

把式 (8) - (10) 代入 (7) 中, 能计算出FM, 即:

按照公式和功率不变换进行电机二相、三相变换, 把 (5) (6) 沿着d、q坐标系计算其分量, 即同步转速为

上式里, 分别是控制绕组沿着d轴、q轴的电流, ψ1 d和ψ1q分别是转子永磁体与转矩绕组沿着d轴、q轴的气隙磁链, 且:

上式里, L1 d是直轴同步电感, L1 q是交轴同步电感;i1 d、i1q是转矩绕组沿着d轴、q轴的电流;ψf是等效励磁磁链。

因为永磁同步电机 (凸装式) 符合下列关系L1d≈L1 q, 则能够得到下列简化的电磁转矩计算公式, 即:

以上数学模型只能较为简单分析无轴承永磁同步电机整体设计情况, 并不能显示现实环境的影响, 本模型只为初学者提供一种数学模型建模思路与参考因素。

(二) 无轴承电机结构参数优化设计

结合实际应用需求以及无轴承电机的特点, 提出无轴承电机的改进方案。主要通过分析绕组的绕制方式、电机定转子结构形式等改进无轴承电机的结构, 提升其悬浮特性、电机参数等指标, 进而提升无轴承电机的性能。在提出无轴承异步电机改进方案的同时, 不能忽略温度、磁饱和等因素带来的干扰。因此, 通过分析工作效能和控制系统性能的影响因素及其变化关系, 利用其函数关系来对无轴承电机结构参数进行再设计, 不断提高无轴承电机工作效能将会是一个重要的研究方向。

(三) 无速度和无位置传感器技术研究

目前无轴承电机需对转子的速度、位置进行检测, 提取出磁场定向磁通空间位置和转子反馈速度。利用机械式的速度或位置传感器无法满足超高速的需求, 将其应用于无轴承电机中会导致其性能的提升受到极大限制, 所以探讨无速度和无位置传感器研究具有较强的意义。目前, 对于无传感器应用研究正处入起步阶段, 只有日本学者对于自感或互感变化的无传感器技术进行了研究, 但其距离应用还有一段距离。因此, 对无传感器技术进行优化研究提高其精度和鲁棒性, 使其投入应用, 这这也是无轴承电机的一大研究方向。

(四) 无轴承电机高性能数字控制系统研究

基于智能控制算法的无轴承电机系统是基于高速数字信号处理器DSP的应用, 目前国内一般采用DSP, 然而调试参数的难度较高。怎样基于DSP+CPLD硬件设备、Dspace或Matlab开发平台、模块化设计理念搭建控制系统, 来对无轴承电机进行实时状况进行信息反馈以此来进行动态控制, 这也是无轴承电机智能化的一个重要研究方向。

(五) 无轴承电机非线性解耦控制算法研究

因为无轴承电机的电磁关系相对复杂, 是典型的非线性系统, 具有耦合强、变量多的特点。所以, 只有非线性、动态解耦控制无轴承电机, 才能保证在不同工作条件下无级调速运行电机和转子悬浮稳定。解耦控制无轴承电机的方法主要有逆系统、微分几何、磁场定向等。目前, 无轴承电机优化试验一般都是在空载情况下进行的, 而且由于传统控制方法存在着一些问题。因此, 对于新的控制方法研究, 使新的控制方法能够满足电机实验运行的条件, 更稳定准确地显示电机运行状态成为该电机研究领域的一个新方向。

三、小结

本文在查阅相关无轴永磁同步电机文献的前提下, 根据电机学课堂同步电机的特征性基础理论, 应用构建数学模型的研究方法对电机进行优化设计和可行性研究。由于现阶段无轴永磁同步电机具有较强的发展潜力和应用市场前景, 因此未来将会有越来越多的学者加入研究, 并且进行创新。本文也就无轴永磁同步电机研究领域的几个重要的方向进行了相关阐述, 并对这几个研究方向的研究背景意义进行了简要总结。

摘要：基于无轴承永磁同步电机相关理论和转子悬浮机理, 对相关研究成果和存在问题进行总结, 从而探索构建优化设计模型, 尝试探讨无轴承永磁同步电机的未来走向。

关键词：无轴承永磁同步电机,转子悬浮机理,数学模型,电机的优化设计

参考文献

[1] Bosch R.Development of a Bearingless Motor[C].Proceedings of International Conference of Electric Machines.Pisa, 1988.373.

[2] Chiba A, Fukao T, Ichikawa O, et al.Magnetic Bearings and Bearingless Drivers[M].Boston:Elsevier Newnes Press, 2005.

[3] Satoh T, Mori S, Ohsawa M.Study of Introduction-type Bearingless Canned Motor Pump[C].International Power Electronics Conference.Tokyo, 2000.389-394.

[4] 孙晓东, 朱熀秋, 杨泽斌.无轴承永磁同步电机技术综述及其发展趋势探讨[J].中国机械工程, 2012 (17) :2128-2135.

[5] Chiba A, Fukao T.Super high speed drive technologies[J].T.IEE Japan, 1998, 118-D (2) :145-149.

[6] 邓智泉, 仇志坚, 王晓琳, 严仰光.无轴承永磁同步电机的转子磁场定向控制研究[J].中国电机工程学报, 2005 (01) :107-111.