无轴承电机悬浮控制系统的设计

无轴承电机悬浮控制系统的设计段春霞,葛运旺,蒋建虎洛阳理工学院,河南洛阳(471003)摘 要 无轴承电机是利用磁悬浮轴承和交流电机结构的相似性,将产生磁悬浮力的磁悬浮轴承绕组置入电机定子,省去了专门的磁悬浮轴承。

通过对转矩绕组和悬浮力绕组的解耦控制,使电机的转子同时具有产生转矩和自悬浮的功能。

无轴承电机能够实现高速、无摩擦等优良性能,是当前研究的热点之一,无轴承电机悬浮控制系统设计是该研究的关键。

介绍了无轴承电机悬浮控制的基本原理,设计出了基于转矩绕组转子磁场定向的悬浮控制系统。

关键词 磁悬浮;无轴承电机;悬浮控制系统;转矩绕组中图分类号TM301.2 TM36+4 文献标识码A 文章编号1008-7281(2008)05-0006-04D esign on Suspension Control System of BearinglessM otorD uan Chunx ia,G e Yun w ang,and J iang J ianhuAbstrac t Bear i n g less m otor co m b i n es str ucture characteristics of AC m o tor and m agnetic suspensi o n beari n g,sets the m agnetic suspension bearing w i n d i n gs w hich produ-c i n g m agnetic suspensi o n fo rce into the stator o f m otor,and o m its the special m agnetic suspensi o n bearing.Through decoup li n g contro l of the torque w indings and suspend i n g force w indings,the rotor o fm otor si m ultaneousl y have functions of produc i n g torque and se l-f suspensi o n.The beari n g lessm otor can rea lize t h e fi n e function of h i g h speed and does no t have fricti o n,it is one of research hot spo t at presen.t The desi g n o f suspensi o n control syste m is the key on research of beari n g lessm otor.Th is paper i n troduces the basic princ-i ple for suspension contr o l o f bearing less mo tor.The suspension control syste m based on m agnetic fie l d d irecti o n detection o f to r que w i n d i n g rotor i s desi g ned also.Key words M agnetic suspensi o n,beari n g l e ss m otor,suspension contro l syste m, torque w i n di n g.0 引言随着科学技术的进步,高速和超高速电机在机床主轴、涡轮分子泵、离心机、压缩机、机电贮能、航空航天等领域获得广泛的应用。

支撑轴承技术一直是高速电机发展的 瓶颈 。

高速电机一般采用气浮、液浮和磁浮轴承,气浮和液浮轴承需要专门相配的气压、液压系统,造成电机系统结构复杂、能耗大、效率低。

磁浮轴承虽具有无润滑、无磨损、无机械噪声和结构简单等特点,经过近30年的发展和完善,在高速电机中使用的比例越来越大。

但由于磁轴承本身占有一定的轴向空间,轴向利用率低,限制了其临界转速和输出功率,也影响到高速电机的微型化,另外磁轴承成本过高也影响到它的广泛使用。

提高电机系统的轴向利用率,相应也就提高了电机的临界转速和输出功率。

一种途径是研究集轴向悬浮和径向悬浮功能于一体的轴向径向混合磁轴承,如锥形磁轴承等;另一途径就是研究集径向悬浮功能和驱动力矩功能于一体的新型电机,这种途径对提高电机系统轴向利用率尤其显著,这种电机就是无轴承电机。

1 无轴承电机悬浮控制原理1.1 无轴承电机悬浮工作原理传统电机中存在着两种不同类型的磁力:洛伦兹力和麦克斯韦力。

磁悬浮无轴承电机是在电机的定子中嵌入了两套具有不同极对数的绕组,转矩控制绕组(极对数p1,电角频率 1),悬浮控制绕组(极对数p2,电角频率 2),当两套绕组极对数满足p2=p1 1,电角频率满足 1= 2时,电机中才能产生可控的悬浮力。

悬浮控制绕组的引入,打破了转矩控制绕组产生旋转磁场的平衡,使得电机气隙中某一区域的磁场增强,而其空间对6称区域的磁场减弱,从而产生的麦克斯韦合力将指向磁场增强的一方。

图1所示的无轴承异步电机p1=1,p2=2中,实线表示转矩控制绕组产生的磁场,虚线表示悬浮控制绕组产生的磁场。

图1(a)中的两个磁场相互调制使得转子右侧气隙磁密大于左侧,其结果产生的麦克斯韦合力(即径向悬浮力)指向X轴的正方向;图1(b)中的两个磁场相互作用产生了沿Y轴正方向的径向悬浮力。

因此,通过转子径向位移的负反馈控制,调节悬浮控制绕组产生磁场的大小和方向,就可以控制作用在转子上径向力的大小和方向,从而实现转子的稳定悬浮。

图1 无轴承电机悬浮力产生示意图1.2 磁悬浮无轴承电机径向悬浮力基本方程设电机中的气隙磁密为B,则作用在转子表面d A面积上的麦克斯韦力为d F=B 2dA2 0(1)式中, 0 真空磁导率。

其中x,y方向上的分量分别为d Fx ( )=lr2 0B2( )cos d (2)d Fy ( )=lr2 0B2( )sin d (3)式中,l 电机有效铁心长度;r 转子外径; 空间位置角。

由于电机中的气隙磁密是由转矩控制绕组和悬浮控制绕组共同产生的合成气隙磁密,即B( ,t)=B1cos(p1 - 1t+ )+B2cos(p2 - 2t+ )(4)式中, 、 初始相位角; 1 转矩控制绕组同步旋转角速度; 2 悬浮控制绕组同步旋转角速度。

将式(4)代入式(2)、式(3)并分别积分运算,当p2=p1 1且 1= 2时,可得沿x、y方向上可控的麦克斯韦力分别为F x=F M cos( - )(5) F x=-F M si n( - )(6)其中,麦克斯韦力的幅值为F M=lr B1B22 0(7)根据矢量乘法运算公式(即12, 1 2),将式(5)和式(6)用同步旋转坐标系上的分量表示。

F x=k M( 2d 1d+ 2q 1q)(8) F y=k M( 2q 1d+ 2d 1q)(9)式中,k M=p1p2L2m12lr 0W1W2,L2m 悬浮控制绕组的定、转子互感。

2 基于转矩绕组转子磁场定向的数学模型和系统框图2.1 磁场定向控制基本方程转矩控制绕组磁场定向控制原理与普通异步电机磁场定向控制原理相似,dq旋转坐标轴系中的定转子电压、电流、磁链和转矩方程为U1s d=R1sd i1sd+p 1s d- 1sd p 1U1sq=R1si1sq+p1aq-1sdp1U1r d=R1r i1rd+p 1rd- 1rd p 1sU1rq=R1r i1rq+p 1rq+ 1rd p 1s(10)1s d= 1d+L1s1i1sd1s q= 1q+L1s1i1s q1rd=1d+L1r1i1rd1rq= 1q+L1r1i1rq(11)或1d=L1i1d=L1i1s d+L1i1rd1q=L1i1q=L1i1sq+L1i1rq(12) T e=p1L1(i1sq i1rd-i1s d i1rq)(13) 2.2 基于转矩绕组转子磁场定向的数学模型对于转子磁场定向控制,旋转坐标轴系实轴d轴定义在转矩控制绕组转子磁场轴线上,有以下关系式1rd= 1r, 1rq=0(14)利用基本公式(10)~(13)可以得到转矩控7制绕组电流分量、转差角频率及电磁转矩 i 1s d =(1+ 1r p ) 1rL 1(15) i 1s q =(L 1+L 1l )T ep 1L 1 1r(16) 1s =L 1i 1sq 1r 1r(17) T e =L 1L 1+L 1rl p 1 1r i1s q(18)根据以上转矩控制绕组电流关系以及两套绕组磁势矢量关系,得到无轴承电机内各电流矢量的相位关系,如图2所示。

图2 无轴承电机转子磁场定向电流矢量图由图2可知,转矩控制绕组采用转子磁场定向,实现了其定子电流的励磁分量i 1s d 和转矩分量i 1sq 之间的解耦控制:转子磁链 1r 的调节不受i 1sq变化影响,只依靠励磁分量i 1s d 来完成;如果保持转子磁链 1r (i 1s d )恒定不变,调节i 1s q 就能线性调节电磁转矩。

式(18)还表明如果控制转子磁链恒定,不仅可使机械特性线性化,改善了驱动系统的控制特性,而且输出电磁转矩无最大转矩限制,提高了系统的过载能力。

转矩控制绕组在转子磁场定向坐标轴系中的数学模型如图3所示。

图3 转矩绕组转子磁场定向数学模型由于径向悬浮力是转矩控制绕组和悬浮控制绕组气隙磁场共同作用的结果,所以要想得到优良的悬浮控制性能,必须利用转子磁链和定子电流来辩识出悬浮控制所需的转矩控制绕组气隙磁链值,根据磁链方程(11)、(12),得1d =L 1L 1r ( 1r +L 1r l i 1sd )(19) 1q =L 1L 1RL 1rl i 1sq (20)由式(8)、式(9)可确定悬浮控制绕组控制悬浮力所需的电流给定值。

i *2sd i *2sq=g 0W 1W 2(21d +21q) 1d- 1q 1q1dF *x F *y (21)2.3 系统框图根据以上分析,设计出基于转矩控制绕组转子磁场定向的无轴承异步电机控制系统框图,如图4所示。

图4 基于转矩控制绕组转子磁场定向的无轴承异步电机控制系统框图8由此可知,悬浮系统所需气隙磁链值是由转矩控制系统中的转子磁链和定子电流给定值计算而得,转速反馈环采用PI 调解器,输出作为转矩给定T *e 。

3 转矩绕组气隙磁链辩识的电压模型法针对上面采用的基于转矩绕组转子磁场定向悬浮控制特性的非线性问题,可以采用转矩绕组气隙磁链辨识的电压模型法。