五自由度磁懸浮開關磁阻電機系統的設計與實現

趙旭升

(南京化工職業技術學院，江蘇南京210048)

0 引 言

開關磁阻電機是從上世紀70 年代發展起來的一種新型電機，其獨特的定、轉子雙凸極結構，使其具有結構簡單、維護方便的結構特點，利用定轉子極數不等，磁阻轉矩驅動電機旋轉，同時，定子上不增加勵磁繞組，就可實現發電運行［1－2］。正是諸如上述眾多優點，多國科技工作者的高度關注，并對其進行了較為深入的研究［3－5］。高速電機以其體積小、重量輕、功率密度高，在高速場合的應用越來越廣泛。但轉速提升，加劇了轉軸與軸承的摩擦，軸承使用壽命下降，系統的可靠性降低［6］。研究人員提出了利用磁軸承取代機械軸承，提升系統可靠性的替代方案［7］。永磁偏置磁軸承具有功耗低、電磁鐵匝數少、軸承體積小等優點，在高速、低功耗領域有著廣泛的應用前景［8］，將二者結合起來，是高速磁懸浮系統的一個重要研究方向。文獻［7］中，美國Honeywell 公司和Revolve 磁軸承公司成功研制了功率為250 kW、轉速為42 000 r/min 的五自由度磁懸浮開關磁阻電機起動/發電系統，其徑向四自由度懸浮由兩個永磁偏置徑向磁軸承來實現，軸向懸浮則利用一個主動軸向磁軸承來實現。在此基礎上，本文提出了一種新結構的五自由度磁懸浮開關磁阻電機系統，其利用永磁偏置磁軸承作支撐軸承，結構緊湊、控制方便，在高速起動/發電系統中具有廣泛的應用前景。

1 磁懸浮開關磁阻電機系統結構選擇

1.1 系統結構選擇

圖1(a)為傳統結構的五自由度磁懸浮電機，其軸向自由度可單獨控制，但這種分散結構占據了較長的軸向長度，使轉子的臨界轉速降低。圖1(b)是利用一個永磁偏置軸向徑向磁軸承與一個永磁偏置徑向磁軸承構成的五自由度磁懸浮系統，相比于圖1(a)結構，雖然軸向不能獨立控制，但結構緊湊，臨界轉速高。圖1(c)結構的五自由度懸浮則是利用相同的兩個永磁偏置軸向徑向磁軸承來實現，相比于圖1(a)，結構簡單緊湊，軸向長度短。在此，對圖1(b)、1(c)這兩種結構進行比較選擇。

1.2 磁軸承的結構選擇

針對圖1(b)、1(c)結構，需選擇相應結構的永磁偏置磁軸承。雖然，永磁偏置軸向徑向磁軸承結構和內部磁場相比于永磁偏置徑向磁軸承要更復雜，但其結構緊湊。為了簡化整個電機系統的設計，增加磁軸承的互換性，選擇圖1(c)作為構建磁懸浮開關磁阻電機的結構方案。在此選擇的永磁偏置軸向徑向磁軸承的結構示意圖如圖2 所示，其結構和工作原理在文獻［8］中已有較為詳細的分析，其結構緊湊，軸向控制磁通與徑向控制磁通彼此解耦，受到國內外眾多研究人員的青睞。利用該種軸承構建的電機結構如圖3 所示。

2 電機系統的參數設計

2.1 開關磁阻電機本體設計

在此所選用的開關磁阻電機為6 /4 結構，功率3．5 kW，設計轉速60 000 r/min，電機的部分參數如表1 所示。

表1 開關磁阻電機部分參數

2.2 永磁偏置軸向徑向磁軸承本體設計

考慮到高速時轉子所產生的不平衡擾動力及轉子重量，設定徑向承載力500 N，約為轉子重量的10倍。以文獻［10－11］中永磁偏置磁軸承的參數設計方法為基礎，對所選用永磁偏置軸向徑向磁軸承進行了參數設計，表2 給出了永磁偏置軸向徑向磁軸承的設計結果。

表2 永磁偏置軸向徑向磁軸承設計結果

圖4 給出了永磁偏置軸向徑向磁軸承的三維仿真結果圖，在加徑向激勵電流為166 A、軸向激勵為160 A 時，徑向承載力為496 N，軸向承載力為983 N，符合設計要求。

圖4 永磁偏置軸向徑向磁軸承三維仿真圖

3 系統實驗平臺的制作

為了減少磁場間的相互干擾，轉軸采用非導磁高強度不銹鋼制成，端蓋、機殼均采用非導磁材料鋁合金制成，轉軸總長372 mm，重約5 kg(包含轉軸、磁懸浮轉子及電機轉子的重量)，保護氣隙(單邊)為0．25 mm。徑向定子實物圖如圖5(a)所示，軸向定子實物圖如圖5(b)所示，考慮到安裝的問題，靠近開關磁阻電機的內軸向定子設計成哈佛結構，圖6 給出了實驗樣機全景圖。

4 實驗驗證

4.1 靜態懸浮實驗

對五自由度磁懸浮開關磁阻電機系統進行了靜態起浮實驗驗證，起浮時為空載，各自由度PID 參數調節的基本相同。由于兩端永磁偏置軸向徑向磁軸承完全相同，圖7 給出了起浮時一端軸向徑向轉子位移的變化、控制電流的變化以及起浮時間的實驗波形。從圖中可見，軸向、徑向三個自由度的起浮時間均在30～40 ms 之間，兩個徑向自由度的起浮電流約在3 A 左右，軸向起浮電流接近于2 A，小于徑向自由度，這是由于兩端軸向繞組為并聯控制所致。

圖8 給出了木榔頭敲擊轉軸的沖擊實驗波形，在50 ms 時間內，各自由度迅速恢復穩定懸浮。對其最大承載力進行了測定，在最大電流2 A 時，承載力為475 N，符合設計要求。

4.2 動態懸浮實驗

利用高速開關磁阻電機驅動，實現了轉子0～36 000 r/min 的動態懸浮。圖9 給出了36 000 r/min 時的實驗波形，從實驗結果來看，各自由度位移振動幅度都小于保護氣隙，徑向約為60 μm，軸向約為20 μm，控制電流的峰－峰值則是徑向約為2 A，軸向約為0．5 A。

靜動態實驗結果表明，該系統利用開關磁阻電機作為驅動電機，利用永磁偏置軸向徑向磁軸承作支撐軸承，實現了轉軸的0～36000 r/min 的穩定懸浮，系統結構選擇合理，參數設計合理準確。

5 結 語

本文提出并制作了利用永磁偏置軸向徑向磁軸承作為支撐軸承、開關磁阻電機作驅動的五自由度磁懸浮電機系統。由于采用兩個相同的永磁偏置軸承作為支撐軸承，簡化了系統結構，增加了磁軸承的互換性，簡化了參數設計及加工難度。對電機系統進行了動靜態懸浮實驗，實現了轉軸0～36 000 r /min的穩定懸浮，結果驗證了五自由度懸浮系統結構選擇及參數設計的合理性。該系統在高速開關磁阻電機起動/發電系統中具有廣泛的應用前景。

［1］ 劉迪吉，張煥春，傅豐禮，等．開關磁阻調速電動機［M］．北京:機械工業出版社，1994．

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