感應(yīng)型無軸承電機的優(yōu)化氣隙磁場定向控制

　　無軸承電機是電磁軸承與交流電機相結(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旋轉(zhuǎn)電機的電樞鐵心中，使得電機轉(zhuǎn)子同時具有旋轉(zhuǎn)和自懸浮支撐的能力，有效地解決了電機同時實現(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。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，必須對徑向磁懸浮力進行有效控制，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現(xiàn)解費和確保穩(wěn)定懸浮運行。
　　國內(nèi)外已有不少對感應(yīng)型無軸承電機氣隙磁場定向控制進行過研究，這種控制方式能在負載下、動態(tài)中實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，但不能實現(xiàn)兩垂直方向懸浮力的完全解耦。進一步的分析表明，懸浮力的完全解耦不是發(fā)生在準確的氣隙磁鏈定向方式下，而是在氣隙磁鏈矢量與定子磁鏈矢量之間某一磁鏈矢量上定向時才可獲得，這意味需要通過對氣隙磁鏈矢量實行幅值和相位的實時修正。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，但沒有運用這些思想構(gòu)成無軸承電機實現(xiàn)完全解耦的解決方案，更未進行針對轉(zhuǎn)子參數(shù)變化、電機鐵磁非線性飽和影響的運行分析和對策研究。
　　為深化、實現(xiàn)這一解耦控制思想，本文首先建立起感應(yīng)型無軸承電機氣隙磁場定向控制模型，進行穩(wěn)定懸浮運行仿真。針對無軸承電機實際存在鐵磁非線性飽和、大動態(tài)及過載下轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的實際工況，本文通過非線性建模及仿真，指出必須對定向氣隙磁鏈實現(xiàn)幅值和相位的修正，進而提出了優(yōu)化氣隙磁場定向的新穎動態(tài)解費控制策略。同時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)，解決了運行中跟蹤和動態(tài)調(diào)整定向磁通矢量的實現(xiàn)技術(shù)，為感應(yīng)型無軸承電機穩(wěn)定懸浮所需的非線性動態(tài)解耦控制提供了實現(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，不平無軸承電機磁懸浮力產(chǎn)生原理圖衡的氣隙磁通密度使電機轉(zhuǎn)子上承受了沿方向的磁懸浮力，促使轉(zhuǎn)子上浮。為實現(xiàn)對懸浮力的精確控制，關(guān)鍵是建立實現(xiàn)無軸承電機系統(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，若不計轉(zhuǎn)子偏心影響，感應(yīng)型無軸承電機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?極氣隙磁場與轉(zhuǎn)矩繞組交鏈的磁鏈；i4，為轉(zhuǎn)矩繞組的勵磁電感，/.4，為轉(zhuǎn)矩繞組勵磁電流幅值；/2l/、/2l/分別為懸浮繞組在同步速么《坐標系中分量電流；r為轉(zhuǎn)子外徑；/為電機有效鐵心長度；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立地控制兩垂直方向的磁懸浮力。這樣，在無軸承電機懸浮控制中可以通過檢測轉(zhuǎn)子位移來生成懸浮力值，再按下式計算出懸浮繞組的電流2.3轉(zhuǎn)矩模型同步速么9坐標系中表示的感應(yīng)型無軸承電機轉(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)子時間常數(shù)；（=出-叫為滑差角頻率，=電機轉(zhuǎn)矩方程為計及式（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軸電流可獨立地控制電磁轉(zhuǎn)矩，實現(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)型無軸承電機進行了氣隙磁場定向矢量控制下的運行仿真。其中磁懸浮力解析模型式（1）的正確性已采用電機電磁場專用設(shè)計軟件ANSOFT進行了有限元的分析和驗證。
　　為無軸承電機空載起動過程轉(zhuǎn)子辨由方向位移的變化，設(shè)靜止時初始氣隙偏心為AFA；0=O.3mm.從（a）、（b）看出，起云力時轉(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行仿真是基于無軸承電機的理想工況，但在實際運行的加速、加載或過載中，負載突增引起電機轉(zhuǎn)差增大，轉(zhuǎn)子回路運行頻率上升，集膚效應(yīng)的影響會使轉(zhuǎn)子電阻增加、轉(zhuǎn)子漏感變小，轉(zhuǎn)子電流增大，致使電機飽和程度增加。這些運行中的實際因素都會影響無軸承電機動態(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)子時間常數(shù)減小將近一半時，電機突加5N+m額定負載轉(zhuǎn)子方向位移的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)負載后，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軟件電磁場計算求得的樣機氣隙磁密與轉(zhuǎn)矩繞組勵磁分量電流的非線性關(guān)系曲線，額定運行點在勵磁電流/4，=2.8A、氣隙磁密1.2T處。根據(jù)這個非線性關(guān)系和式（1）的懸浮力計算公式，求得a、方向懸浮力表達為出，當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)在勵磁電流/4，=2.8A時，若勵磁分量電流進一步增大，懸浮力還會下降。
　　計算了不同轉(zhuǎn)矩繞組勵磁分量電流/4，下，氣隙磁鏈受轉(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，交叉飽和程度進一步提高，使得在同樣的勵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，影響電機穩(wěn)定懸浮運行。
　　ANSOFT軟件求得的轉(zhuǎn)子懸浮力F與轉(zhuǎn)矩繞組勵fe分量電流/4m、懸浮繞組電流/2的關(guān)系?？梢钥礋o軸承電機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。由于無軸承電機氣隙磁場主要由轉(zhuǎn)矩繞組中勵磁分量電流產(chǎn)生，轉(zhuǎn)矩分量電流對飽和的間接作用實際是《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懸浮力模型，便可進行飽和對轉(zhuǎn)子懸浮影響的仿真研究。當負載由零突然過載一倍至lON.m時，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、電機鐵磁飽和影響等因素，對定向用氣隙磁鏈大小、相位進行修正，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準氣隙磁場定向、需采用通用磁場定向控制器實現(xiàn)的新型動態(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。
　　運用通用磁場定向器的概念，可以對電機轉(zhuǎn)子參數(shù)變化、磁飽和影響等實際因素致使氣隙磁通矢量幅值及相位的變化進行處理；通過選取適當?shù)闹担瑒討B(tài)地改變控制器的磁通矢量，實現(xiàn)氣隙磁鏈實時修正后的精確定向。
　　1給出了轉(zhuǎn)子電阻和漏感變化時氣隙磁鏈相位超前角的變化規(guī)律，圖中轉(zhuǎn)子每相電阻、漏感均為標幺值?？梢钥闯觯S著轉(zhuǎn)子電阻的增大和漏感的減小，電機中實際的氣隙磁鏈會比選作的磁鏈矢量滯后，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，隨著的減小，向轉(zhuǎn)子磁鏈矢量R方向移動，氣隙磁鏈相位變得滯后；（/>1時，隨著的增大，向定子磁鏈矢量方向移動，氣隙磁鏈相位變得超前。這個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，使氣隙磁場重新達到準確定向。
　　2值與相位的影響采用類似方法可以實現(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)變化和計及飽和影響的感應(yīng)型無軸承電機優(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測值來實現(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，進行了過載條件下無軸承電機穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的仿真。以轉(zhuǎn)子參數(shù)變化為例，當轉(zhuǎn)子電阻增大為1.5倍、漏感減小20%時，氣隙磁鏈I//，相對于磁鏈I//：。會滯后5.16°（1），為修正這個相移偏差，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，故幅值修正時氣隙磁鏈將縮小為原來的1/1.28.經(jīng)過這種自動修正后的仿真結(jié)果如4所示。
　　4轉(zhuǎn)子時間常數(shù)減小、突加負載時優(yōu)化氣障磁場定向控制仿真結(jié)果當負載由零突然過載至lON.m時，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現(xiàn)了對定向用氣隙磁鏈矢量的動態(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際因素對電機懸浮性能的影響，確實實現(xiàn)了大動態(tài)、過載下懸浮力的動態(tài)解耦。
　　5考慮鐵磁飽和時優(yōu)化氣隙磁場定向控制仿真結(jié)果5結(jié)論無軸承電機實際運行中轉(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，其原因是定向用氣隙磁鏈矢量出現(xiàn)了幅值及相位的偏差，本文對此現(xiàn)象通過仿真進行了深入的研究和分析，揭示了其中的規(guī)律。同時基于交流調(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時修正，實現(xiàn)了感應(yīng)型無軸承電機大動態(tài)、過載下的動態(tài)完全解耦控制，使實際運行工況下無軸承電機仍能獲得懸浮力的理想解耦控制和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮運行，為實際系統(tǒng)的運行控制提供了實施途徑。