摘要：無軸承電機集磁性懸浮與轉(zhuǎn)矩驅(qū)動于一體，具有無摩擦、無磨損、無損耗、免維修、壽命長等獨特優(yōu)點，從根本上改變了傳統(tǒng)的支承與傳動形式：該文介紹一種無軸承繞線型異步電機，通過瞬態(tài)有限元分析法(TFEM)計算其徑向力和轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)響應(yīng)，結(jié)果表明該無軸承電機可以同時產(chǎn)生支承轉(zhuǎn)子重量的穩(wěn)定徑向力與恒定轉(zhuǎn)矩，且其控制電流柏互獨立，與鼠籠型轉(zhuǎn)子無軸承異步電機相比前者能夠產(chǎn)生更有效的徑向力，且轉(zhuǎn)矩不受徑向力繞組電流干擾；并在基于svM—DTc的磁懸浮異步電機懸浮子系統(tǒng)獨立控制實驗平臺上加以測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)了無軸承繞線型異步電動穩(wěn)定懸浮。
關(guān)鍵詞：無軸承電機；有限元分析法；懸浮控制；徑向力
0 引 言
與機械軸承相比，磁軸承因其無接觸、無摩擦、無磨損、無機械噪音等優(yōu)點，在一些有特殊要求的驅(qū)動系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。但是，磁軸承的引入，增加了整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子長度，降低轉(zhuǎn)子利用率，從而限制了懸浮電機系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速及功率的提高。無軸承電機使磁軸承與轉(zhuǎn)子驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合為一體，很好地解決了這一問題。無軸承電機不儀能夠產(chǎn)生驅(qū)動負載的轉(zhuǎn)矩，同時還能產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子懸浮的徑向力，有效地縮短轉(zhuǎn)子長度，克服了茲軸承支承電機系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)軸過長而存在的轉(zhuǎn)子剛度小、臨界轉(zhuǎn)速低等問題。無軸承電機在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，例如醫(yī)療器械、飛輪貯能裝置、航空航天、半導體制造業(yè)等領(lǐng)域一原則上，無軸承電機可以在普通異步電機、永磁同步電機及磁阻電機上實現(xiàn)。這些不同的無軸承電機系統(tǒng)懸浮機理相同，而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。在無軸承籠型異步電機中，懸浮控制電流對運行性能有相當火影響。為了減小這種影響，近年來，作者從電磁場的角度出發(fā)研究無軸承異步電機：在繞線型異步電機基礎(chǔ)上實現(xiàn)無軸承技術(shù)——無軸承繞線型異步電機。
本文采用有限元分析法計算旋轉(zhuǎn)電機徑向懸浮力與轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)響應(yīng)，并對一臺樣機進行了數(shù)字平臺的控制實驗，結(jié)果表明，繞線轉(zhuǎn)子無軸承異步電機與籠型轉(zhuǎn)子的無軸承異步電機相比，在同樣條件下能夠產(chǎn)生更有效地徑向力，并且徑向力與轉(zhuǎn)矩的控制之間能夠?qū)崿F(xiàn)自然解耦。
1 工作原理
在無軸承電機中，徑向力是由于電磁場的不均勻分布產(chǎn)生的。研究表明，在同定子槽中，疊繞兩組極對數(shù)不同的線罔，其極對數(shù)分別為P，p!，當p=P2±1時，它們產(chǎn)生的磁場疊加產(chǎn)生可控徑向力。對于無軸承電機而言，當p1=P2+1時，徑向力模型在旋轉(zhuǎn)坐標系下的表示為：
K為懸浮系數(shù)，i2d，i2q為懸浮控制繞組電流的d，q軸分量，ψ1d，ψq為定子磁鏈的d，q軸分量。
可見，無軸承電機是一個非線性、強耦合的復雜系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩控制與懸浮控制兩系統(tǒng)之問存在耦合量ψ1．(定子磁鏈)。在其運行控制中，磁鏈信息的計算與傳遞直接關(guān)系到控制效果，必然增加控制系統(tǒng)的復雜性。在無軸承電機中，最重要的就足使運行性能與懸浮性能互不影響。本文介紹的無軸承繞線型異步電機，轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)矩繞組的極對數(shù)相同，轉(zhuǎn)子巾的感生電流不影響懸浮力磁場，這樣，懸浮力磁場就只產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子懸浮的徑向力。
無軸承繞線型異步電機的繞組結(jié)構(gòu)如圖1所示。
轉(zhuǎn)矩繞組和轉(zhuǎn)子繞數(shù)極對數(shù)相同為
1．懸浮力繞組極列數(shù)為2。懸浮力繞組與轉(zhuǎn)矩繞組通人頻率相同的電流，這樣可產(chǎn)生兩個轉(zhuǎn)速不同的旋轉(zhuǎn)磁場，這兩個磁場疊加就會產(chǎn)生一個支撐轉(zhuǎn)子重量的町控徑向力。轉(zhuǎn)子感生電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場對稱分布．以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，加強了徑向力；同時，轉(zhuǎn)矩只能巾2極轉(zhuǎn)矩磁場和轉(zhuǎn)子的2極感生電流相互作用產(chǎn)生。
由于轉(zhuǎn)子磁場與懸浮磁場的極對數(shù)不同，所以懸浮力磁場不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
2徑向力與轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)有限元分析
2．1有限元方法瞬態(tài)有限元分析方法
以對象為導向，主要用于電機分析，是國際上公認的比較精確的電磁場分析方法，可以作為“數(shù)值模擬試驗平臺”仿真冉試驗系統(tǒng)無法測試到的數(shù)據(jù)。使用該軟件建立二維旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)模型，然后通過矢量電壓逼近法分析電磁場，進而汁算相應(yīng)的徑向力與轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)響應(yīng)。
由于無軸承異步電機中的電流沿。方向流動，所以磁動勢A中只有一個非O分量AZ，這是一個關(guān)于x，y的方程。所以，用_二維電機模型就足以計算出電機內(nèi)部的電磁場。如果計算中考慮到鐵心長度，計算結(jié)果就與實際三維電機模型完全相同。圖2為瞬態(tài)有限元分析的瞬時磁場矢量分布結(jié)果。無軸承電機特點存在于其自身同時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與懸浮力，另外，異步電機中的旋轉(zhuǎn)磁場無法通過靜態(tài)計算得出。鑒于此，需要通過對旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子進行瞬態(tài)計算來仿真這一過程。通過瞬態(tài)有限元分析方法可以在時間和轉(zhuǎn)子位置同時變化的情況下，計算徑向力和轉(zhuǎn)矩。
瞬態(tài)有限元分析的實現(xiàn)方法及瞬態(tài)與靜態(tài)有限元分析方法的區(qū)別在文獻[5]中由詳盡介紹。圖2所示為不同時間不同轉(zhuǎn)子位置的相應(yīng)瞬態(tài)電壓矢量分布。顯而易見，電機的內(nèi)部耦合磁場是旋轉(zhuǎn)的，并且呈不均勻分布。
3與鼠籠型電機的比較
3．1徑向力分析在無軸承異步電機中，由于不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鼠籠式結(jié)構(gòu)和4極繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生的徭向力有較大差異。圖3顯示了兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)貞軸承異步電機徑向力的瞬態(tài)響應(yīng)。t= O s時，轉(zhuǎn)矩繞組通人電流，無徑向力產(chǎn)生；t=0．1 s時，懸浮繞組通人懸浮電流，產(chǎn)生徑向力。
在無軸承籠型異步電機，感生轉(zhuǎn)子電流不僅產(chǎn)生2極轉(zhuǎn)矩磁場，也能產(chǎn)生4極懸浮磁場。這兩個磁場的疊加形成不對稱磁場補償了由轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組形成的不對稱磁場，削弱了徑向力。
相反，在_尢軸承繞線型異步電機中，轉(zhuǎn)子繞綞與轉(zhuǎn)矩繞組有相同的極對數(shù)。感生轉(zhuǎn)子電流對建立與轉(zhuǎn)矩磁場相同極對數(shù)的均勻磁場起到抑制作用，增強氣隙磁場的不均勻分布，這樣會產(chǎn)生更大的徑向力。
瞬態(tài)有限元分析結(jié)果也說明無軸承繞線型異步電機能夠比無軸承籠型異步電機產(chǎn)生更有效的徑向力。
3．2轉(zhuǎn)矩分析
電機轉(zhuǎn)矩同樣受轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的影響。圖4為兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機的有限元分析轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)響應(yīng)。
無軸承繞線型異步電機產(chǎn)牛一個獨立于懸浮電流的恒定轉(zhuǎn)矩，而無軸承籠型異步電機的懸浮電流對轉(zhuǎn)矩有增大作用。
無軸承籠型異步電的感生轉(zhuǎn)子電流不僅產(chǎn)生2極磁場，還產(chǎn)生一個4極磁場。4極磁場與懸浮磁場相互作用產(chǎn)生另外一個轉(zhuǎn)矩分量。這樣，無軸承籠型異步電機巾的轉(zhuǎn)矩包括阿個成分：一個由轉(zhuǎn)矩電流產(chǎn)生，另一個由懸浮電流產(chǎn)生，這樣使轉(zhuǎn)矩大小也由懸浮電流決定，再次證明該結(jié)構(gòu)的無軸承異步電機是一個強耦合系統(tǒng)，致使設(shè)計控制系統(tǒng)時不得不考慮兩套定子繞組電流之間的解耦關(guān)系。
相反，在無軸承繞線型異步電機中，轉(zhuǎn)矩只能由2極轉(zhuǎn)矩磁場與2極感生轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。因為轉(zhuǎn)子磁場與懸浮磁場有不同的極對數(shù)，故轉(zhuǎn)矩不受懸浮力磁場的影響，實現(xiàn)了繞線轉(zhuǎn)子無軸承異步電機的自然解耦，從而簡化控制系統(tǒng)。
4控制系統(tǒng)
4．1驅(qū)動控制
在無軸承繞線型異步電機中，轉(zhuǎn)矩不受懸浮電流的影響。所以，懸浮控制與轉(zhuǎn)矩控制互不影響。對轉(zhuǎn)矩控制，本文采用高速性能優(yōu)良、計算周期短且結(jié)構(gòu)簡單的基于空間電壓矢量調(diào)節(jié)的直接轉(zhuǎn)據(jù)控制(sVM—DTc)。圖5所示為異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，通過3／2變換把靜止坐標系中的三相電流轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的二相電流，并且引入具有解耦功能的通量模型，使異步電機的控制系統(tǒng)類似于直流電機�？刂葡到y(tǒng)將電機給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的誤差，經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出給定轉(zhuǎn)矩信號；同時系統(tǒng)根據(jù)檢測的電機二相電流和電壓值，利用磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型分別計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩大小，計算電機轉(zhuǎn)子的圓周位置、電機給定磁鏈和轉(zhuǎn)矩與實際值的誤差；然后根據(jù)它們的狀態(tài)選擇逆變器的開關(guān)矢量，使電機能按控制要求調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，最后達到調(diào)速的目的。
4．2懸浮控制
在本文中的無軸承繞線型異步電機中，徑向力由2極磁場和4極磁場疊加產(chǎn)生。4極磁場由懸浮電流建立。空載時，電機內(nèi)部只有一個2極轉(zhuǎn)矩磁場。
負載情況下電機內(nèi)部有兩個4極磁場：轉(zhuǎn)矩磁場和轉(zhuǎn)子磁場，這兩個磁場疊加將產(chǎn)生從空載狀態(tài)到負載狀態(tài)轉(zhuǎn)變的應(yīng)變動力。對于轉(zhuǎn)子的特殊位置，在2極磁場基礎(chǔ)上，相應(yīng)調(diào)節(jié)4極磁場，徑向力總能補償轉(zhuǎn)軸質(zhì)量。根據(jù)這個原理，設(shè)計了一種控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有不完全解耦驅(qū)動與懸浮控制，可以同時控制電機轉(zhuǎn)據(jù)與徑向力。圖6所示為該驅(qū)動與懸浮控制系統(tǒng)。一方面，懸浮控制依賴驅(qū)動系統(tǒng)負載情況。徑向力隨驅(qū)動電流與轉(zhuǎn)子偏心狀況而變化。
通過解耦模塊與徑向力轉(zhuǎn)換器，可以控制徑向力補償整個控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子質(zhì)量，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子位置回到定子中心。另一方面，懸浮控制系統(tǒng)對驅(qū)動控制沒有影響．
5實驗研究
圖7給出了電機轉(zhuǎn)子的徑向位移波形，電機轉(zhuǎn)子的徑向****位移為O．06 mm(電機的單邊氣隙為0.25 mm)，圖8為轉(zhuǎn)矩繞組給定轉(zhuǎn)矩與反饋轉(zhuǎn)矩。
由此可以得出，基于svM—DTc的磁懸浮異步電機懸浮子系統(tǒng)獨立控制方案，能實現(xiàn)繞線型無軸承異步電機的穩(wěn)定懸浮。
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