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主动磁轴承结构参数设计与有限元分析

发布于:2018-02-28 19:54
有限元分析

       磁轴承具有无摩擦、无磨损,无需润滑及密封,高速度、高精度及寿命长等优点,从根本上改变了传统的支承形式。按照控制电流类型可将磁轴承分为直流式与交流式。直流式磁轴承功率放大器价格高、体积大,一个径向磁轴承至少需要二路双极性功率放大器驱动。而交流式磁轴承采用三相交流逆变器提供控制电流,一个三相交流逆变器即可完全控制径向二自由度,且三相逆变器应用技术成熟、价格便宜、易于和DSP (digital signal processor)一起对磁轴承进行数字控制。转子实现稳定悬浮,需要在5个自由度上施加控制力,目前通常采用两个径向主动磁轴承和一个轴向主动磁轴承来支承,这种结构设计的磁轴承系统体积较大,对转子临界转速的提高有一定限制。因此,这种磁轴承支承高速电机的结构限制了其在工程中的实际应用范围,需要对其进行详细的有限元分析研究。因此,基于三相交流逆变器驱动的三自由度磁轴承成为目前磁轴承领域的研究方向之一。国内外已研制出交流式二自由度主动磁轴承,本研究在此基础上为了缩小磁轴承机械结构体积,进一步提高磁轴承径向承载力,设计基于三相交流逆变器驱动控制的径向一轴向共用偏磁电流的主动磁轴承。径向一轴向共用偏磁电流的主动磁轴承轴向采用直流控制电流、径向采用交流控制电流,轴向控制线圈中产生的偏磁电流为径向和轴向同时提供静态偏磁磁通,该磁轴承集成交流三相驱动、径向一轴向联合控制等优点,且大大地提高磁轴承的径向承载力。
       这种新颖的磁轴承结构和工作原理,推导其悬浮力数学模型,设计试验样机,并采用有限元App对磁轴承的磁场进行分析,为设计出承载力大、控制性能好、具有实用价值的磁轴承系统奠定基础。
       由轴向定子、轴向控制线圈、带三个磁极的径向定子、径向控制线圈、转子等构成。其中定子铁芯采用硅钢片叠压而成,定子三个磁极沿圆周均匀分布,转子是由两段长度一样的硅钢叠片和一个隔磁铝环构成。工作时轴向控制线圈除了对轴向自由度实现控制以外,还同时为径向和轴向提供偏磁磁通。径向沿圆周120均匀分布的A,B,C三个控制线圈通以三相交流电,产生可旋转的合成磁通来控制径向2个自由度。
       带箭头的实线表示径向控制磁通,在径向定子、径向气隙与转子之间形成回路。右图中带箭头的虚线表示轴向控制磁通,在轴向定子、轴向气隙、转子、径向气隙以及径向定子之间构成回路。轴向控制磁通与径向控制磁通互不干扰,不存在磁路耦合,径向各磁极处气隙磁通由偏磁磁通和对应控制磁通两部分合成。
       径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承在轴向自由度方向上采用双极性开关功放驱动。当转子处于轴向平衡位置时,由于偏磁电流i作用,轴向线圈在轴向两端气隙处产生的磁通是相等的。假设当转子受到外界扰动力向右运动时,传感器检测出转子偏离平衡位置的位移,通过控制作用使左侧控制电流i增加,使右边控制线圈中电流i减小,则转子受到向左的悬浮力增加,转子受到向右的悬浮力减小,其合力与扰动力方向相反,从而使转子回到平衡位置。如转子受到向左的外力扰动,可以得到类似结论。所以不论转子受到向左或向右的扰动,通过控制器调节控制电流,转子始终能回到平衡位置。


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