• 頭條學術簡報|懸浮輸出能力高、功耗低的新型磁懸浮開關磁阻電機
    2019-06-26 作者:孫玉坤、于豐源等  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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    導語江蘇大學電氣信息工程學院、南京工程學院電力工程學院的研究人員孫玉坤、于豐源、袁野、黃振躍、黃永紅、朱志瑩,在2019年第1期《電工技術學報》上撰文(論文標題為“一種混合雙定子磁懸浮開關磁阻電機”),針對傳統磁懸浮開關磁阻電機(BSRM)存在的多變量非線性強耦合問題,并以提高系統懸浮輸出能力、降低懸浮功耗為目的,提出一種混合雙定子磁懸浮開關磁阻電機(HDSBSRM)。該電機采用內、外雙定子結構,外定子與內定子共用一套轉子結構,內定子通過引入軸向充磁型永磁環,為產生主動可控懸浮力提供穩定偏置磁場。在介紹其拓撲結構和工作原理的基礎上,推導了徑向懸浮系統的數學模型,分析了基本電磁特性和解耦特性,驗證了其主繞組與懸浮力繞組以及兩自由度懸浮力繞組之間具有的自解耦特性。并就其懸浮輸出能力和懸浮功耗等方面,與傳統雙定子磁懸浮開關磁阻電機進行了比較,驗證了其具有高懸浮輸出和低懸浮功耗的優點,表明所提HDSBSRM結構的合理性與優越性。

    開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM)轉子無繞組和永磁體,具有結構簡單、機械強度大等優點,適用于高溫和航空航天等惡劣環境。但開關磁阻電機系統中的機械軸承導致摩擦損耗隨轉速增加而成倍地增大。鑒于開關磁阻電機的定子與磁軸承定子結構的相似性,將磁軸承的徑向力繞組疊繞在開關磁阻電機定子繞組上構成了磁懸浮開關磁阻電機(Bearingless Switched Reluctance Motor, BSRM),其在保留開關磁阻電機優良特性的基礎上,無需潤滑裝置,解決了由機械軸承引起的磨損問題,在飛輪儲能系統、超導磁懸浮列車、超真空密封室內的半導體加工、核廢料處理和混合動力牽引、航空航天用起動/發電機系統等領域極具應用前景。

    然而,縱觀國內外,磁懸浮開關磁阻電機的工程應用普及程度并不高,究其原因主要是電機內各繞組間存在多變量的非線性強耦合關系,系統分析以及解耦控制難度大,這些已經成為制約該技術進入工程應用的主要瓶頸。目前相關學者針對磁懸浮開關磁阻電機耦合問題,主要從控制策略和本體結構設計等方面開展了研究。

    ①控制策略方面,江蘇大學孫玉坤團隊針對磁懸浮開關磁阻電機瞬時懸浮力與瞬時轉矩非線性、強耦合的特點,提出了一種瞬時懸浮力與平均轉矩分相產生的雙相導通解耦控制策略,利用一套繞組解耦瞬時懸浮力與平均轉矩,實現了懸浮與旋轉的獨立控制,但這種方法將每極定子電流等效為轉矩分量和懸浮分量之和,犧牲了部分懸浮電流和轉矩電流,效率較低;隨后提出了一種基于最小二乘支持向量機(Least Squares Support VeotorMaohine, LSSVM)的逆動力學建模與解耦控制方法,采用LSSVM建立了磁懸浮開關磁阻電機逆動力學模型,并將該逆模型與電機模型串聯,實現了系統各變量之間的解耦線性化,但逆動力學建模過程繁瑣,LSSVM算法復雜,難以工程化實現。

    ②本體設計方面,韓國慶星大學與沈陽工業大學張鳳閣團隊聯合提出了一種12/14極寬窄式磁懸浮開關磁阻電機,其定子寬、窄極上分別單獨纏繞懸浮力繞組和主繞組,因轉子與定子寬極的對齊面積始終等于轉子極寬,因此在轉子旋轉過程中懸浮力繞組幾乎不產生電磁轉矩,可以減弱懸浮力繞組對主繞組的耦合影響,但是主繞組對懸浮力繞組仍存在較大的耦合且徑向兩自由度懸浮力繞組之間的耦合也較大;

    韓國慶星大學隨后提出了一種具有雙定子結構的磁懸浮開關磁阻電機(Double Stator Bearingless Switched Reluctance Motor, DSBSRM),該電機包含內、外兩個定子,其內定子上的懸浮力繞組負責懸浮功能,外定子上的主繞組負責旋轉功能,通過有限元方法對其轉矩和懸浮力特性進行了分析,相較于寬窄式混合定子型的磁懸浮開關磁阻電機,該電機可有效克服主繞組與懸浮力繞組之間以及徑向兩自由度懸浮力繞組之間的耦合;

    南京工程學院周云紅等將這種電機用于發電運行,研究了一種雙定子型的磁懸浮開關磁阻起動/發電機,建立了懸浮力、旋轉力和發電電流模型,通過有限元分析驗證了該起動/發電機具有主繞組和懸浮力繞組耦合小、徑向懸浮力性能好的優點。

    本文在對文獻[17-20]深入研究的基礎上,保留了傳統雙定子磁懸浮開關磁阻電機轉矩系統與懸浮系統弱耦合的優良特性,為進一步降低懸浮功耗,提高懸浮輸出能力,提出一種混合雙定子磁懸浮開關磁阻電機(Hybrid Double Stator Bearingless Switched Reluctance Motor, HDSBSRM)。該電機具有雙定子結構,其中外定子采用12極雙凸極結構,內定子采用8極雙凸極結構,外定子與內定子共用一套轉子結構;內定子通過引入軸向充磁型永磁環,為產生主動可控懸浮力提供穩定偏置磁場。

    本文在分析HDSBSRM拓撲結構特性的基礎上,闡述了其轉子懸浮及運行機理;利用等效磁路法建立了該電機徑向懸浮力數學模型;基于Ansoft/Maxwell3D軟件建立了一臺有限元樣機模型,分析了該電機轉矩、懸浮力等電磁特性,并與寬窄式磁懸浮開關磁阻電機的耦合特性以及傳統雙定子磁懸浮開關磁阻電機的輸出能力和懸浮功耗進行了對比,驗證了本文所提電機具有轉矩系統與懸浮系統間以及懸浮系統兩自由度間解耦性能良好,且具有高懸浮輸出、低懸浮功耗等獨特性能優勢;最后通過仿真與實驗,實現了電動/懸浮。

    學術簡報|懸浮輸出能力高、功耗低的新型磁懸浮開關磁阻電機

    圖1HDSBSRM結構

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    圖2 HDSBSRM混合內定子結構與磁路

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    圖14 HDSBSRM控制系統框圖

    結論

    本文提出一種混合雙定子磁懸浮開關磁阻電機,與磁懸浮開關磁阻電機、寬窄式磁懸浮開關磁阻電機以及傳統雙定子磁懸浮開關磁阻電機相比,具有如下性能:

    1)在旋轉過程中,HDSBSRM徑向懸浮力不隨轉子位置變化,克服了傳統BSRM在某些特定轉子位置不能產生足夠懸浮力的問題,提高了懸浮系統的可控性。

    2)所提HDSBSRM在轉矩和懸浮系統之間以及懸浮系統兩自由度之間具有優異的解耦特性。從本體結構設計上解決了傳統BSRM存在的強耦合問題,方便控制。

    3)所提HDSBSRM與傳統DSBSRM相比,具有更高的懸浮輸出能力,且懸浮功耗更小。

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