基于混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和懸浮力控制的新型飛輪儲(chǔ)能用無(wú)軸承電機(jī)

李大興 夏革非 張華東 李文龍

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司 承德 067000）

1 引言

儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中有非常大的市場(chǎng)前景，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量、電網(wǎng)穩(wěn)定性以及供電可靠性都有很大的提升。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種能量轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能裝置，突破化學(xué)電池的局限，用物理的方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。和其他基于化學(xué)性質(zhì)的儲(chǔ)能技術(shù)相比，飛輪儲(chǔ)能在微電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，支承高速飛輪的軸承技術(shù)是制約飛輪儲(chǔ)能效率和壽命的關(guān)鍵因素之一。磁軸承由于無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)噪聲而被廣泛應(yīng)用。無(wú)軸承電機(jī)是一種磁電機(jī)，沒(méi)有任何傳統(tǒng)的軸承或磁軸承[1-4]。它的新穎之處在于轉(zhuǎn)子懸浮力所需的電磁力是由主磁場(chǎng)自身產(chǎn)生的，而不是有獨(dú)立的磁軸承產(chǎn)生。為了在主磁場(chǎng)中同時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩力和洛倫茲力，需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)所需要的定子和轉(zhuǎn)子。目前已經(jīng)出現(xiàn)的各種定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，還沒(méi)有一個(gè)轉(zhuǎn)子擁有一個(gè)大的轉(zhuǎn)矩承載力和很好的可控洛倫磁力。

通過(guò)有限元對(duì)各種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（籠式轉(zhuǎn)子、磁阻轉(zhuǎn)子、外嵌永久磁鐵轉(zhuǎn)子和內(nèi)嵌永久磁鐵轉(zhuǎn)子）的無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁懸浮力進(jìn)行了比較性研究[5-6]，鑒于此，本文提出了一種新型的混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，目的是為了改進(jìn)無(wú)軸承電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和懸浮力性能。根據(jù)得出的懸浮力模型，提出了一種新的懸浮力矢量控制策略。

2 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和懸浮力產(chǎn)生機(jī)理

為了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和懸浮力，無(wú)軸承電機(jī)的定子有兩套不同極對(duì)數(shù)的定子繞組。理論上，所有的交流無(wú)刷轉(zhuǎn)子都能用于無(wú)軸承電機(jī)[7,8]。但是，為了得出哪一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和懸浮力，因此有必要對(duì)不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)軸承電機(jī)做一個(gè)比較。如圖1 所示。

圖1 無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.1 Rotor structures of bearingless motor

通過(guò)有限元（FEM）方法研究了懸浮力大小，相對(duì)于四個(gè)參考轉(zhuǎn)子的懸浮繞組電流。工作條件假定為：電機(jī)的氣隙是相等的，都為0.6mm，轉(zhuǎn)矩繞組的固定電流為0.45A。結(jié)果如圖2 所示，鼠籠轉(zhuǎn)子和磁阻轉(zhuǎn)子分別有最大和最小懸浮力。對(duì)于PM轉(zhuǎn)子懸浮力的承載力大致是一樣的。

圖2 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)懸浮力大小的比較Fig.2 Comparison of levitation forces for different rotor structures

在同樣工作條件下，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)計(jì)算出的電磁轉(zhuǎn)矩如圖3 所示。結(jié)果顯示無(wú)軸承電機(jī)PM 轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩比籠型和磁阻式轉(zhuǎn)子電機(jī)的大。同時(shí)也可以得出懸浮繞組電流參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響是較小的，甚至可以忽略，對(duì)懸浮力控制來(lái)說(shuō)是一個(gè)好的特點(diǎn)。

圖3 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩大小比較Fig.3 Comparison of torque for different rotor structures

3 新型的混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2 和圖3 的結(jié)果表明：對(duì)無(wú)軸承電機(jī)來(lái)說(shuō)，外嵌式PM 轉(zhuǎn)子是一個(gè)較好地選擇，和其他的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是最大的，懸浮力也是較大的。對(duì)于在轉(zhuǎn)子和定子之間沒(méi)有偏移的電機(jī)來(lái)說(shuō)上面的結(jié)論是正確。事實(shí)上，由于各種原因轉(zhuǎn)子和定子之間的偏移或多或少還是存在的。例如，如果空氣氣隙不等，在氣隙小的一邊將產(chǎn)生電磁吸力。為了研究偏移原因，用有限元計(jì)算出的轉(zhuǎn)子不同偏移量的軸向力如圖4 所示，從圖4 中可以看出，徑向力隨著轉(zhuǎn)子位移偏移量的增大而線性增加。為了使轉(zhuǎn)子回到中心位置，懸浮繞組就需要一個(gè)大的電流。但是，永磁電機(jī)通過(guò)懸浮繞組電流產(chǎn)生的氣隙磁通密度與通過(guò)永久磁鐵產(chǎn)生的相比是較小的，主要因?yàn)閼腋±@組電流產(chǎn)生的磁通還要通過(guò)一個(gè)較大的氣隙，這與空氣氣隙的數(shù)量和永久磁鐵的高度有關(guān)。因此，僅僅通過(guò)增大懸浮繞組電流而使轉(zhuǎn)子回到中心位置是很困難的。

圖4 轉(zhuǎn)子不同偏移量所受到的軸向力Fig.4 Radial force due to eccentricity

本文提出的新型無(wú)軸承電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5所示。兩個(gè)輔助轉(zhuǎn)子鐵心加到永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，可以增大懸浮力。混合的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)擁有永磁電機(jī)和籠型電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 新型無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.5 A new rotor structure of bearingless motor

為了驗(yàn)證新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的有效性，圖6 給出了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離中心0.05mm 時(shí)，徑向力相對(duì)于懸浮繞組電流圖。圖6 中的四條曲線對(duì)應(yīng)于下列四種不同情況：

1.無(wú)附加鐵心的永磁電機(jī)，g0＝1.0mm；

2.有附加鐵心且氣隙長(zhǎng)度相等的永磁電機(jī)（2lc＝15mm，gc=g0＝1.0mm）；

3.有附加鐵心且氣隙長(zhǎng)度較小的永磁電機(jī)（2lc＝15mm，gc=0.8mm，g0＝1.0mm）；

4.有附加鐵心且氣隙小，氣隙較小的永磁電機(jī)（2lc＝10mm，gc=0.5mm，g0＝1.0mm）；

從曲線1 可以看出，對(duì)于永磁電機(jī)僅僅通過(guò)增加懸浮繞組電流不能補(bǔ)償徑向力。由曲線2 和4 可以看出用附加的轉(zhuǎn)子鐵心或減小附加轉(zhuǎn)子鐵心的空氣氣隙來(lái)補(bǔ)償徑向力是有效的。

圖6 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徑向懸浮力對(duì)比Fig.6 Comparison of radial forces for different rotor structures

4 無(wú)軸承電機(jī)懸浮力控制方法

新型結(jié)構(gòu)的無(wú)軸承電機(jī)有四極三相轉(zhuǎn)矩繞組和兩極兩相的懸浮力繞組，在x-y靜止坐標(biāo)系中，三相轉(zhuǎn)矩繞組可以變換成等效的兩相繞組。如果給四極和兩極繞組提供頻率相同的、對(duì)稱(chēng)的兩相交流電流，則在x-y靜止坐標(biāo)系中，相電流可以表示成：

四極和兩極繞組電流將分別產(chǎn)生兩個(gè)氣隙磁場(chǎng)。通過(guò)Maxwell張量法，轉(zhuǎn)子表面的徑向力可以計(jì)算出來(lái)，將該力沿轉(zhuǎn)子表面合成，x與y方向力合成結(jié)果可以表示為：

系數(shù)k的大小由下面的方程決定：

式中，N4和N2分別是四極和兩極繞組每相的等效匝數(shù)；r、1l 及 g0分別為轉(zhuǎn)子內(nèi)半徑，附加槽長(zhǎng)度和氣隙長(zhǎng)度。由式（1）～式（4）可以得出x和y方向力的表達(dá)式為

由式（8）、（9）可以看出，通過(guò)瞬時(shí)定子電流可以計(jì)算出x、y方向的懸浮力。但是x、y方向力的大小取決于繞組電流。為了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，最好減弱x、y方向繞組電流的相互作用。在x-y坐標(biāo)系中相電流可以變換成d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中新變量，x-y參考坐標(biāo)系與d-q參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。兩參考坐標(biāo)中變量的關(guān)系式如下

如果i4放在d軸上，那么角度θ由θ=atan(i4y/ i4x)來(lái)決定，如圖7所示。規(guī)定好i4的方向之后，由于i4和i2有相同的角頻率，則d-q坐標(biāo)系中的電流就變成直流成分，方程式（5）可以化簡(jiǎn)成：

圖7 xy 坐標(biāo)與dq 坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖Fig.7 Transformation diagram of xy coordinate and dq coordinate

利用新變量，懸浮力的表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為

由式（7）可以得出，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中懸浮力控制轉(zhuǎn)換為對(duì)i2的控制。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

提出了基于DSP TMS320C32 和Xinlinx CPLD混和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)軸承電機(jī)控制系統(tǒng)，上述的懸浮力矢量控制也被應(yīng)用。圖8 和圖9 顯示了在速度達(dá)到750r/min 時(shí)，懸浮力矢量控制和無(wú)懸浮力矢量控制時(shí)轉(zhuǎn)子的偏移量。每個(gè)圖形的最頂端是由渦流傳感器檢測(cè)的x 及y 方向的轉(zhuǎn)子偏移量。圖8 顯示的是無(wú)矢量控制，轉(zhuǎn)子偏移量大，由于無(wú)懸浮力控制降低了軸承的利用率。在懸浮力的矢量控制下，轉(zhuǎn)子偏移量較小，轉(zhuǎn)子的懸浮情況如圖9 所示。

圖8 無(wú)轉(zhuǎn)子矢量控制時(shí)轉(zhuǎn)子偏移軌跡Fig.8 Rotor offset trajectory without vector control

圖9 轉(zhuǎn)子矢量控制時(shí)轉(zhuǎn)子偏移軌跡Fig.9 Rotor offset trajectory with vector control

6 結(jié)論

提出的混和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)軸承電機(jī)不僅能產(chǎn)生大的電磁力矩和懸浮力，而且也實(shí)現(xiàn)了一種基于電流矢量的懸浮力控制方法。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，新型無(wú)軸承電機(jī)的設(shè)計(jì)和控制策略是可行的。

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