摘要：提出了五自由度磁懸浮開關磁阻電動機通過使用有限元軟件Ansoft來計算懸浮驅(qū)動電流的方法。介紹了一種五自由度磁懸浮開關磁阻電機結(jié)構(gòu)，分析了三自由度磁軸承的工作原理和二自由度磁懸浮開關磁阻電動機的懸浮原理，接著采用Ansoft軟件對磁懸浮開關磁阻電機進行有限元分析計算，得出懸浮驅(qū)動電流曲線，從而實現(xiàn)了通過有限元分析計算代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以研究控制對象數(shù)學模型為主的研究方法。該方法對磁懸浮一類電動機的懸浮控制研究有一定的意義。
關鍵詞：開關磁阻電動機；磁軸承；有限元分析；Ansofl；數(shù)學模型1五自由度磁懸浮開關磁阻電機結(jié)構(gòu)五自由度磁懸浮開關磁阻電機由一個三自由度徑向一軸向磁軸承和一個二自由度磁懸浮開關磁阻電機組成，結(jié)構(gòu)如圖l所示。
磁懸浮軸承(簡稱磁軸承)按照磁力提供方式，分為主動磁軸承、被動磁軸承和混合磁軸承(永磁偏置)三種�；旌洗泡S承用****磁鐵產(chǎn)生的磁場取代主動磁軸承中電磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場，能大大降低功率放大器的功耗，使電磁鐵的安匝數(shù)減少，縮小磁軸承體積，提高軸承承載能力。傳統(tǒng)直流偏置型徑向磁軸承機械結(jié)構(gòu)簡單，但功率損耗大；傳統(tǒng)永磁偏置型徑向磁軸承雖功耗有所降低，但結(jié)構(gòu)又較復雜。本文采用的磁軸承為一種較為新型的三極交直流混合磁軸承三相徑向混合磁軸承。它綜合了傳統(tǒng)永磁偏置型徑向磁軸承與直流偏置型徑向磁軸承的優(yōu)點，采用永磁體代替偏置直流來提供偏置磁通，以提供靜態(tài)懸浮力，減小了功率損耗，大大縮小了電磁鐵體積及繞線空間。
二自由度磁懸浮開關磁阻電機不需要用傳統(tǒng)的軸承來支承轉(zhuǎn)子，而是通過在原有的定子繞組上附加一套產(chǎn)生徑向力的徑向力繞組產(chǎn)生偏置磁場來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。由于每個定子上存在兩套繞組，使得開關磁阻電機的磁場變得較為復雜。
目前，大多數(shù)關于磁懸浮電機的研究都是基于數(shù)學模型的，而磁懸浮開關磁阻電機的數(shù)學模型是非線性、強耦合、時變的，因而傳統(tǒng)的控制方法控制性能不夠理想。本文應用Ansoft軟件中的Maweu 2D模塊對磁浮開關磁阻電機內(nèi)部的磁場進行有限元分析計算，得出了轉(zhuǎn)子克服重力作用所需要的驅(qū)動電流，由懸浮所需要的力來選取驅(qū)動電流，改變了傳統(tǒng)過分依賴數(shù)學模型的方法，而且具有一定的普遍適用性。
2三自由度磁軸承結(jié)構(gòu)與工作原理
圖2為三自由度磁軸承結(jié)構(gòu)圖。圖(a)為三極徑向磁軸承。圖中下標“l(fā)”表示磁軸承在電機主體的左邊；(φ1a、φ1b和φ1c分別為A、B和C軸繞組產(chǎn)生的磁通；φ1x和φ1y分別是φ1a、φ1b和φ1c到x1、y1軸的等效磁通。轉(zhuǎn)子在磁通(φ1a、φ1b和φ1c作用下，處于平衡位置，若轉(zhuǎn)子受外擾力作用偏向x1正方向，則減小磁通(φ1x即可讓轉(zhuǎn)子回到原來平衡位置。
φ1a、φ1b和φ1c分別為A、B和C軸繞組電流，φ1x和φ1y，為x1、y1軸等效繞組電流。分析可知，轉(zhuǎn)子向x1正方向偏移，減小1x即減小F1x轉(zhuǎn)子回到平衡位置，轉(zhuǎn)子向x1反方向偏移，則增大i1x可以使轉(zhuǎn)子回到平衡位置；同理，轉(zhuǎn)子向y1正方向偏移，減小i1y即減小F1y，轉(zhuǎn)子回到平衡位置，轉(zhuǎn)子向y．反方向偏移則增加i1y即增加F1y，轉(zhuǎn)子回到平衡位置；改變x1、y1軸繞組電流i1xi1y。大小和方向，即可改變F1xF1y的大小和方向。
圖2(b)為軸向磁軸承。圖中西。為永磁體產(chǎn)生磁通。轉(zhuǎn)子處于平衡位置時，φp是對稱分布的。
若轉(zhuǎn)子受外擾動力作用，向。軸反方向偏移，此時通人如圖所示電流方向的iz，則在氣隙z1處的軸向磁通φz1減小，z2處的軸向磁通φz2增加，此時轉(zhuǎn)子受z軸正方向的Fz作用回到平衡位置；同理，若轉(zhuǎn)子向z軸正方向偏移，則通入與圖2(b)反方向的電流iz，可使轉(zhuǎn)子受到向z軸反方向的Fz作用而回到平衡位置；改變z軸繞組電流iz大小和方向，即可改變Fz的大小和方向。
3二自由度磁懸浮開關磁阻電機工作原理
以12／8極磁懸浮開關磁阻電機為例，定義4極繞組A、B和c為轉(zhuǎn)矩繞組，2極繞組u、V、w、D、E和F為徑向懸浮繞組。其中徑向繞組u、V和w分別同徑向繞組D、E和F垂直，A分別同u和D在一個槽中，B分別同V和E在一個槽中，c分別同w和F在一個槽中。IA，IB，ICIU IV IWIDIEIF分別為繞組A、B、C、u、V、w、D、E和F中的電流。
磁浮開關磁阻電機的每一相均有三套繞組，一套為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的主繞組，另外兩套是產(chǎn)生徑向力的徑向力繞組，每套繞組分別施加控制電流。如圖3，A相轉(zhuǎn)矩繞組由四極繞組串聯(lián)而成，徑向力繞組u和D分別由徑向相對的二極繞組串聯(lián)而成。圖3中實線表示的是由電機四極主繞組電流IA產(chǎn)生的對稱四極磁通，虛線表示的是兩極徑向懸浮繞組u中電流i0產(chǎn)生的對稱二極磁通。
從圖中可以看出，兩種磁場的相互調(diào)制使得轉(zhuǎn)子左右側(cè)氣隙磁感應強度不均勻，氣隙2處的磁感應強度減少，而氣隙l處的磁感應強度增加，其結(jié)果使得徑向懸浮力指向α軸的正方向。徑向懸浮繞組電流iu反向時，即可產(chǎn)生沿α軸負方向的徑向懸浮力；同理，兩極徑向懸浮繞組D(與徑向懸浮繞組u軸線垂直)中電流ID產(chǎn)生的對稱二極磁通和四極主繞組磁通的相互作用可以產(chǎn)生沿口軸方向的徑向懸浮力。通過控制兩套繞組產(chǎn)生磁場的相對位置，可以控制沿任意方向的徑向懸浮力。該磁懸浮原理同樣可以推廣到B相和c相繞組。利用三相繞組每隔15。機械角度輪流導通和轉(zhuǎn)子偏心位移的負反饋控制，可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子懸浮所需的連續(xù)徑向懸浮力。
4有限元計算算法
4．1計算思想
傳統(tǒng)的有限元計算思想大都是先給繞組通一定的或者變化的電流，然后分析控制對象的輸出轉(zhuǎn)矩、徑向力以及兩者之間的耦合情況”。一�？刂七^程中為了得到需要的輸出，必須通過反饋來調(diào)節(jié)輸入電流。對于復雜、非線性以及具有強耦合的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制性能很難提高。同時針對負載主要是負轉(zhuǎn)矩形式，轉(zhuǎn)子徑向主要受到恒定大小的重力作用或者徑向負載力為已知且恒定，在這種情況下，采用Ansoft軟件對磁懸浮開關磁阻電機進行有限元分析計算，通過對在不同角位置磁懸浮開關磁阻電機克服徑向負載力所需驅(qū)動電流的計算，得出懸浮驅(qū)動電流曲線。Ansoft軟件的Max—weu 2D模塊，先給定電流來計算產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩力和徑向力，因而需要反過來，通過加一定的驅(qū)動電流，逐步逼近所需要產(chǎn)生的徑向力，即Fα約為O，F(xiàn)β約為重力大小，方向同重力方向相反。在選擇加電流逼近的過程中，可以采用先粗選，然后精選、可以分10步來計算，逐步逼近目標值，最后選擇在一定精度情況下，較為精確的電流值。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個較小的角度，如0．5°，采用同樣的方法，計算出需要加的電流值，這樣進行下去，直到算完45°。對于本文的12／8極磁懸浮開關磁阻電機，就轉(zhuǎn)過了一個周期，這樣就得到了懸浮所需要加的驅(qū)動電流。按照得到的驅(qū)動電流加給控制系統(tǒng)，既可以得到滿足需要的輸出，也實現(xiàn)了系統(tǒng)的完全解耦。
4．2計算驅(qū)動
電流曲線圖4為給定轉(zhuǎn)矩電流IA、IB、IC曲線。轉(zhuǎn)矩電流恒定在100安匝，按照IBIC，IA順序每隔15度機械角度輪流導通。圖5為在圖4定轉(zhuǎn)矩電流曲線下產(chǎn)生圖6徑向力所需要的驅(qū)動電流曲線。圖6中的每一個點，需要先給電機初步通入電流，分lO步，讓輸出逐步逼近給定值，粗選其中最滿足要求的連續(xù)的兩步，然后再細分10步，繼續(xù)計算，直到輸出與給定之間的誤差滿足一定的精度要求，從而選定一個電流值。每個連續(xù)點之問的角度差為n 5。，接著計算直到算完一個導通周期。對于12／8磁懸浮開關磁阻電機，需要計算90個點，選定與位置角度對應的90個電流值就構(gòu)成了圖6驅(qū)動電流曲線。
從圖5中可以看到，在某些點，需要加很大的徑向電流才能夠滿足徑向力的需要，因而轉(zhuǎn)子比較難以懸浮。瞬態(tài)懸浮過程中，這些點很快就過去，所以影響不大。
可以推測，在實際試驗中，通過給繞組加如圖5的電流曲線，是比較容易懸浮的，既保持了轉(zhuǎn)矩力的恒定，同時提供了需要的徑向力，因而對磁懸浮電機的解耦控制研究以及提高試驗性能具有一定的指導意義。
5結(jié)論
提出了一種基于有限元分析計算磁懸浮開關磁阻電機懸浮驅(qū)動電流的方法，并給出了計算驅(qū)動電流曲線。該方法不再依賴磁懸浮開關磁阻電機的數(shù)學模型，對于磁懸浮電機的非線性、強耦合的復雜系統(tǒng)的解耦控制研究以及提高控制性能具有一定的指導意義，而且具有一定的普遍適應性，當然其應用價值還需要在試驗中進一步研究。
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