感应型无轴承电机的优化气隙磁场定向控制
2022-9-6
无轴承电机是电磁轴承与交流电机相结合的产物，它将产生径向磁悬浮力的电磁轴承绕组嵌放进旋转电机的电枢铁心中，使得电机转子同时具有旋转和自悬浮支撑的能力，有效地解决了电机同时实现高速与大容量化的理论基础和技术关键，开拓了比电磁轴承更为广泛的应用前景。为实现转子的稳定悬浮，必须对径向磁悬浮力进行有效控制，但悬浮力与电磁转矩之间、垂直与水平悬浮力之间存在耦合。由于磁悬浮力是无轴承电机转矩绕组与悬浮绕组产生的气隙磁场有源不平衡的结果，因而必须采用气隙磁场定向控制才能实现解费和确保稳定悬浮运行。
国内外已有不少对感应型无轴承电机气隙磁场定向控制进行过研究，这种控制方式能在负载下、动态中实现转子的稳定悬浮，但不能实现两垂直方向悬浮力的完全解耦。进一步的分析表明，悬浮力的完全解耦不是发生在准确的气隙磁链定向方式下，而是在气隙磁链矢量与定子磁链矢量之间某一磁链矢量上定向时才可获得，这意味需要通过对气隙磁链矢量实行幅值和相位的实时修正。文提出了一种通用磁场定向控制器的概念，它可通过设定参数’V/“来设置定向磁通矢量的位置，以适应现有的任何一种磁场定向控制方式。这些研究虽然敏锐地提出了问题，但没有运用这些思想构成无轴承电机实现完全解耦的解决方案，更未进行针对转子参数变化、电机铁磁非线性饱和影响的运行分析和对策研究。
为深化、实现这一解耦控制思想，本文首先建立起感应型无轴承电机气隙磁场定向控制模型，进行稳定悬浮运行仿真。针对无轴承电机实际存在铁磁非线性饱和、大动态及过载下转子参数变化的实际工况，本文通过非线性建模及仿真，指出必须对定向气隙磁链实现幅值和相位的修正，进而提出了优化气隙磁场定向的新颖动态解费控制策略。同时还提出了基于通用磁场定向控制器的优化气隙磁场定向控制系统结构，解决了运行中跟踪和动态调整定向磁通矢量的实现技术，为感应型无轴承电机稳定悬浮所需的非线性动态解耦控制提供了实现途径。
2气隙磁场定向控制2.1概述为感应型无轴承电机磁悬浮力产生原理示意图，其中1和褚为4极转矩绕组，和为2极悬浮绕组。如果按图示极性给各绕组通入相应电流，则2极磁场将与4极磁场相叠加，致使区域1气隙磁密增加、区域2气隙磁密减少，不平无轴承电机磁悬浮力产生原理图衡的气隙磁通密度使电机转子上承受了沿方向的磁悬浮力，促使转子上浮。为实现对悬浮力的精确控制，关键是建立实现无轴承电机系统解耦的气隙磁场定向控制模型，包括悬浮力模型和转矩模型。2.2悬浮力模型根据文，若不计转子偏心影响，感应型无轴承电机在气隙磁场定向下水平和垂直两正交方向上磁悬浮力。可表示为为4极气隙磁场与转矩绕组交链的磁链；i4，为转矩绕组的励磁电感，/.4，为转矩绕组励磁电流幅值；/2l/、/2l/分别为悬浮绕组在同步速么《坐标系中分量电流；r为转子外径；/为电机有效铁心长度；叫、处分别为转矩绕组和悬浮绕组每相串联有效匝数；戈为平均气隙长度。
由此可见在气隙磁场定向条件下，凭据悬浮绕组的分量电流就可独立地控制两垂直方向的磁悬浮力。这样，在无轴承电机悬浮控制中可以通过检测转子位移来生成悬浮力值，再按下式计算出悬浮绕组的电流2.3转矩模型同步速么9坐标系中表示的感应型无轴承电机转矩绕组电压方程为与转子间每相互感；⑴为电源角频率；叫为转速角频率；D=d/d/为微分算子。下标么为转矩绕组么3轴分量，*V、/为定、转子量。
转矩绕组产生的气隙磁链巧，可表示为在气隙磁场定向条件下由此可得将式（6）代入式（3）第三、四行，分别得到/2=i2-M；2；=i，。/i，。为转子时间常数；（=出-叫为滑差角频率，=电机转矩方程为计及式（6）的关系=普D屮‘则Us可见在气隙磁场定向条件下，调节转矩绕组g轴电流可独立地控制电磁转矩，实现电磁转矩与悬浮力之间的解。气隙磁场定向下的转矩控制原理如所示。
影响，对附录中的感应型无轴承电机进行了气隙磁场定向矢量控制下的运行仿真。其中磁悬浮力解析模型式（1）的正确性已采用电机电磁场专用设计软件ANSOFT进行了有限元的分析和验证。
为无轴承电机空载起动过程转子辨由方向位移的变化，设静止时初始气隙偏心为AFA；0=O.3mm.从（a）、（b）看出，起云力时转速《迅速从静止升至1420r/min，转速超调量小于0.6%，转速稳态误差小于0.3r/min.在气隙磁场定向控制下转子获得了稳定悬浮，々方向位移稳定在±60|im范围内。（c）、（d）分别为气隙磁链幅值及其相位％，变化，相位角指实际气隙磁链与定向用气隙磁链之间的相位偏差。
3转子参数及铁磁饱和对悬浮的影响以上运行仿真是基于无轴承电机的理想工况，但在实际运行的加速、加载或过载中，负载突增引起电机转差增大，转子回路运行频率上升，集肤效应的影响会使转子电阻增加、转子漏感变小，转子电流增大，致使电机饱和程度增加。这些运行中的实际因素都会影响无轴承电机动态中的悬浮性能。
为转子电阻增大1.5倍、转子漏感减小20%、转子时间常数减小将近一半时，电机突加5N+m额定负载转子方向位移的变化。可以发现负载后，转矩绕组产生的气隙磁场幅值增大为原来1.28倍，相移了0.16rad，即实际气隙磁链向转子磁链方向偏移，破坏了原有的气隙磁场精确定向，致使转子位移由±60|jm增大到±160|jm.为考察铁磁非线性饱和对悬浮性能的影响，给出了通过ANSOFT软件电磁场计算求得的样机气隙磁密与转矩绕组励磁分量电流的非线性关系曲线，额定运行点在励磁电流/4，=2.8A、气隙磁密1.2T处。根据这个非线性关系和式（1）的悬浮力计算公式，求得a、方向悬浮力表达为出，当悬浮绕组电流增大后，由于直接饱和的影响，气隙磁密增幅减小，悬浮力不再与电流成正比增大。最大悬浮力出现在励磁电流/4，=2.8A时，若励磁分量电流进一步增大，悬浮力还会下降。
计算了不同转矩绕组励磁分量电流/4，下，气隙磁链受转矩分量电流/，的影响。可以看出，气隙磁链随转矩分量电流/，的增大而减小，在较大的励磁电流/4，下，气隙磁链下降的速率变缓。这是由于q轴转矩电流增大后，交叉饱和程度进一步提高，使得在同样的励磁分量电流下轴气隙磁链随转矩分量电流的增加而减小，此外气隙磁链的方向还会随转矩分量电流的增加而发生改变，显然这都将导致磁悬浮力减小，影响电机稳定悬浮运行。
ANSOFT软件求得的转子悬浮力F与转矩绕组励fe分量电流/4m、悬浮绕组电流/2的关系。可以看无轴承电机中的铁磁饱和基本上由两种原因造成：一是产生悬浮力所需悬浮绕组电流的直接作用，二是产生转矩所需的转矩绕组转矩分量电流的间接作用。由于无轴承电机气隙磁场主要由转矩绕组中励磁分量电流产生，转矩分量电流对饱和的间接作用实际是《轴交叉饱和的一种表现。
为考虑所示铁磁非线性饱和后、通过气隙磁链与转矩绕组转速分量电流的关系将以上气隙磁场饱和的影响考虑进悬浮力模型，便可进行饱和对转子悬浮影响的仿真研究。当负载由零突然过载一倍至lON.m时，转子方向位移以及气隙磁链的幅值与相位均发生变化，如所示。可以看出，由于々增大，转矩绕组产生的气隙磁场饱和，磁通幅值减小为原来0.81倍，相移超前0.15rad，致使气隙磁场无法实现精确定向，转子隙磁链定向基础上，针对转子参数变化、电机铁磁饱和影响等因素，对定向用气隙磁链大小、相位进行修正，寻找出一种优化的气隙磁场定向方式，确保在大动态、过载下的完全解耦。
4优化气隙磁场定向控制策略这是一种不同于标准气隙磁场定向、需采用通用磁场定向控制器实现的新型动态定向解耦控制。通用磁场定向控制器原理框图如0所示，控制器中定义了一个系数’、/“，通过选择不同的值，可以灵活地选择定向用磁通矢量*.表1中给出不同《值对应的磁通矢量。
运用通用磁场定向器的概念，可以对电机转子参数变化、磁饱和影响等实际因素致使气隙磁通矢量幅值及相位的变化进行处理；通过选取适当的值，动态地改变控制器的磁通矢量，实现气隙磁链实时修正后的精确定向。
1给出了转子电阻和漏感变化时气隙磁链相位超前角的变化规律，图中转子每相电阻、漏感均为标幺值。可以看出，随着转子电阻的增大和漏感的减小，电机中实际的气隙磁链会比选作的磁链矢量滞后，即偏向转子磁链方向，如2所，J、2表示了通用磁场定向控制器中值的选择与磁链相移角的关系。《<1时，随着的减小，向转子磁链矢量r方向移动，气隙磁链相位变得滞后；（>1时，随着的增大，向定子磁链矢量方向移动，气隙磁链相位变得超前。这个超前角正好可以用来抵消由于参数变化而引起的气隙磁链相位偏移，使气隙磁场重新达到准确定向。
2值与相位的影响采用类似方法可以实现针对铁磁饱和影响的气隙磁链幅值和相位的修正。一种考虑转子参数变化和计及饱和影响的感应型无轴承电机优化气隙磁场定向控制系统如3所示。图中利用气隙磁链值和由气隙磁链观测器获得的实测值来实现幅值、相位的修正和通用磁场定向控制器参数值的选取。
3优化气隙磁场定向控制系统框图根据3的优化磁场定向控制模型，进行了过载条件下无轴承电机稳态和动态的仿真。以转子参数变化为例，当转子电阻增大为1.5倍、漏感减小20%时，气隙磁链I//，相对于磁链I//：。会滞后5.16°（1），为修正这个相移偏差，通用磁场控制器选取了《=1.05.又由于这种变化使气隙磁链增大了1.28倍，故幅值修正时气隙磁链将缩小为原来的1/1.28.经过这种自动修正后的仿真结果如4所示。
4转子时间常数减小、突加负载时优化气障磁场定向控制仿真结果当负载由零突然过载至lON.m时，饱和现象明显，经优化气隙磁场定向控制方式修正后的转子悬浮性能如5所示。由于优化气隙磁场定向控制实现了对定向用气隙磁链矢量的动态修正，有效地消除了转子参数变化、铁磁非线性饱和等实际因素对电机悬浮性能的影响，确实实现了大动态、过载下悬浮力的动态解耦。
5考虑铁磁饱和时优化气隙磁场定向控制仿真结果5结论无轴承电机实际运行中转子参数的变化、磁饱和现象的影响，使得磁悬浮力不能完全解费，其原因是定向用气隙磁链矢量出现了幅值及相位的偏差，本文对此现象通过仿真进行了深入的研究和分析，揭示了其中的规律。同时基于交流调速技术中通用磁场定向控制器的概念，提出了一种优化气隙磁场定向控制策略及其控制系统，通过对定向用气隙磁场幅值和相位的实时修正，实现了感应型无轴承电机大动态、过载下的动态完全解耦控制，使实际运行工况下无轴承电机仍能获得悬浮力的理想解耦控制和转子稳定悬浮运行，为实际系统的运行控制提供了实施途径。
