轉(zhuǎn)子組件剩磁對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子懸浮控制的影響

王曉光，李顯富，何 壯，潘 奧

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

磁懸浮軸承[1]是利用電磁力將被支承件穩(wěn)定懸浮在空間的一種高性能機(jī)電一體化軸承，具有無(wú)接觸、無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)磨損、無(wú)需密封等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)、超凈環(huán)境、機(jī)床、計(jì)算機(jī)設(shè)備等眾多領(lǐng)域。在某些應(yīng)用場(chǎng)合磁懸浮轉(zhuǎn)子需要高強(qiáng)度的材料，但是某些高強(qiáng)度材料的磁滯特性[2]比較明顯，在運(yùn)行中產(chǎn)生較大剩磁，對(duì)磁懸浮軸承的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。在這種情況下，研究磁力軸承剩磁的影響是很有必要的。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)剩磁方面的研究大多數(shù)是針對(duì)電力變壓器鐵芯剩磁[3]的研究。馮遠(yuǎn)程等[4]對(duì)變壓器剩磁產(chǎn)生機(jī)理以及剩磁對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響進(jìn)行了分析，并提出了一些防范對(duì)策。邢運(yùn)民等[5]提出了一種變壓器鐵心剩磁估量方法，估量變壓器分閘后鐵心中的剩磁。Markus Pütter等[6]討論了剩磁對(duì)幾種診斷測(cè)量方法和勵(lì)磁涌流的影響,介紹了如何利用移動(dòng)測(cè)試設(shè)備克服現(xiàn)場(chǎng)消磁的困難。許星帥[7]通過(guò)對(duì)電力變壓器鐵心剩磁產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，闡述可能引發(fā)的危害，探尋減少鐵心剩磁的有效檢測(cè)方法。筆者根據(jù)某實(shí)際案例展開剩磁對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子懸浮控制影響的相關(guān)研究。首先根據(jù)實(shí)際案例中的磁懸浮轉(zhuǎn)子在調(diào)試很久后始終不能穩(wěn)定懸浮，停止調(diào)試，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子表面存在大量剩磁，且在短時(shí)間內(nèi)不能退去，因此推測(cè)剩磁影響了轉(zhuǎn)子的懸浮控制，然后根據(jù)剩磁產(chǎn)生的原理，采用永磁鐵來(lái)模擬剩磁，定性、定量進(jìn)行了剩磁影響磁懸浮轉(zhuǎn)子懸浮的實(shí)驗(yàn)分析，得出不同氣隙條件下影響磁懸浮轉(zhuǎn)子懸浮控制時(shí)剩磁與控制磁場(chǎng)比值的臨界值，最后通過(guò)對(duì)實(shí)際案例中轉(zhuǎn)子材料進(jìn)行更換以及結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮，從而對(duì)所做推斷進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 磁懸浮轉(zhuǎn)子懸浮控制過(guò)程中剩磁的影響

實(shí)際案例的轉(zhuǎn)子材料為38CrMoAl，圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。采用PID控制對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子進(jìn)行懸浮調(diào)試，調(diào)試過(guò)程中轉(zhuǎn)子始終不能正常懸浮，其軸向磁懸浮軸承左右線圈的電流如圖2所示。

圖1 磁懸浮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 軸向磁懸浮軸承左右線圈電流

根據(jù)磁懸浮基礎(chǔ)理論[8]和軸向磁懸浮軸承的對(duì)稱性可知，穩(wěn)定懸浮則其左右線圈電流大小應(yīng)相近，但從圖2中可知左右線圈電流相差很大，且轉(zhuǎn)子無(wú)法穩(wěn)定懸浮。此時(shí)，其軸向位移波形如圖3所示。

圖3 軸向傳感器輸出位移波形圖

從圖3可知，轉(zhuǎn)子一直在左右兩端跳動(dòng)，即磁懸浮轉(zhuǎn)子左右碰撞軸向保護(hù)軸承，中間只有短暫的懸浮，但是很快就失穩(wěn)。

調(diào)試停止后，轉(zhuǎn)子明顯具有剩磁。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示。轉(zhuǎn)子放置不同時(shí)間后，用高斯計(jì)分別測(cè)量其各表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，測(cè)量值如表1所示。

圖4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

表1 轉(zhuǎn)子放置不同時(shí)間后磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值mT

從表1可知，磁懸浮轉(zhuǎn)子各表面存在較強(qiáng)的剩磁，因此推測(cè)剩磁可能對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子的懸浮控制產(chǎn)生了影響。

2 轉(zhuǎn)子剩磁產(chǎn)生的原理

磁懸浮轉(zhuǎn)子剖視圖如圖5所示，其中軸向推力盤材料為42CrMo，由《常用鋼材磁特性曲線手冊(cè)》[9]可知CrMo類鋼材的磁滯特性明顯。因此，在軸向磁懸浮軸承線圈通電后，推力盤受到激磁作用，線圈斷電后推力盤仍會(huì)有剩磁。由于推力盤直接安裝在轉(zhuǎn)子上面，磁通會(huì)傳遞到整個(gè)轉(zhuǎn)子。而材料是38CrMoAl的轉(zhuǎn)子同樣磁滯特性明顯，在推力盤將剩磁傳遞轉(zhuǎn)子上后，轉(zhuǎn)子上也會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)有剩磁。這是轉(zhuǎn)子剩磁的主要來(lái)源，而徑向磁懸浮軸承和電機(jī)因?yàn)橛泄桎撈母綦x，導(dǎo)致的剩磁相對(duì)較少。

圖5 磁懸浮轉(zhuǎn)子剖視圖

剩磁在傳遞過(guò)程中必定存在漏磁，因此剩磁從5→4→3→2的傳遞基本上呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。因?yàn)榇磐喀岛痛鸥袘?yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為：

φ=B·S

(1)

式中，S為磁通分布面積，而前端面1和后端面6處面積很小，磁通密度較大。且后端面距離推力盤更近，傳遞過(guò)程中漏磁相對(duì)較少，因此后端面的剩磁大于前端面的剩磁。

3 永磁鐵模擬剩磁的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

由于剩磁主要來(lái)源于軸向磁懸浮軸承，因此下面專門研究軸向磁懸浮軸承。其實(shí)驗(yàn)原理如圖6所示。

圖6 軸向磁懸浮軸承實(shí)驗(yàn)裝置工作原理圖

由圖6可以看出磁懸浮轉(zhuǎn)子軸向軸承與實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理完全一致，但是為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置采用非差動(dòng)單邊控制的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行剩磁的模擬實(shí)驗(yàn)。由于試驗(yàn)裝置的推力盤所用的材料是硅鋼片，退磁性很好，因此用永磁鐵來(lái)模擬剩磁存在的情況。

圖7和圖8分別為實(shí)驗(yàn)裝置原理圖和三維模型圖。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置三維模型圖

剩磁模擬就是不通電情況下，在距離E型電磁鐵d處放一塊永磁鐵(見圖7)，將此時(shí)氣隙間的磁感應(yīng)強(qiáng)度作為剩磁。圖9為d=2 cm時(shí)永磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的仿真結(jié)果圖。

圖9 d=2 cm時(shí)的仿真剩磁

圖9中E型電磁鐵3個(gè)磁極M1，M2，M3處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值(即仿真剩磁)如表2所示。

表2 d為2 cm時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置仿真剩磁值 mT

為了驗(yàn)證剩磁模擬的準(zhǔn)確性將d分別為2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm時(shí)剩磁的仿真和剩磁模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由于不論是實(shí)驗(yàn)還是仿真，三個(gè)磁極M1，M2，M3處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值都基本相等，因此為了更清晰地對(duì)比實(shí)驗(yàn)值和仿真值，圖10只對(duì)中間磁極M2處的磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值和仿真值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同d時(shí)磁極M2的模擬剩磁實(shí)驗(yàn)值與仿真值

由圖10可知，不同d對(duì)應(yīng)的模擬剩磁仿真值和實(shí)驗(yàn)值基本一致，表明用永磁鐵模擬的剩磁是可行的。下文中都將用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的剩磁值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

4 剩磁對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子懸浮的影響

4.1 定性分析剩磁的影響

為了研究剩磁對(duì)磁懸浮軸承產(chǎn)生的影響，可以觀察有無(wú)剩磁情況下的電渦流位移傳感器的輸出波形圖，即推力盤的運(yùn)動(dòng)軌跡。

將實(shí)驗(yàn)裝置連接好，并打開Dspace[10-11]軟件和MATLAB程序框圖，設(shè)置好參數(shù)并運(yùn)行與Dspace配套的control desk軟件，所用位移傳感器輸出電壓為0～5 V，其線性量程為2 mm，實(shí)驗(yàn)前對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)傳感器探頭與檢測(cè)面距離為1.815 mm時(shí)，輸出電壓為0 V，當(dāng)傳感器探頭與檢測(cè)面距離為3.843 mm時(shí)，輸出電壓為5 V，將傳感器近似為線性元件，傳感器檢測(cè)值與輸出電壓的擬合直線方程為U=2.465 5D-4.475，(U為傳感器輸出電壓；D為探頭與推力盤實(shí)際距離)。撥動(dòng)推力盤到與下保護(hù)軸承接觸的位置，control desk軟件顯示距離為2 mm，撥動(dòng)推力盤到與上保護(hù)軸承接觸的位置，顯示距離為3.4 mm，推力盤在中間懸浮時(shí)D=2.7 mm，此時(shí)電壓值為2.18 V，由于傳感器檢測(cè)位移的電壓信號(hào)按照10∶1的比例輸入控制器，因此設(shè)定將平衡位置參考值及設(shè)為0.218 V，然后調(diào)節(jié)PID參數(shù)使推力盤穩(wěn)定懸浮于平衡點(diǎn)，最后記錄一段時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)，圖11為磁懸浮軸承穩(wěn)定懸浮時(shí)電渦流位移傳感器輸出的波形圖。

圖11 穩(wěn)定懸浮時(shí)位移傳感器輸出波形圖

測(cè)得E型鐵和推力盤之間最大氣隙值為1.4 mm，從圖11可以看出推力盤在平衡點(diǎn)處上下浮動(dòng)并保持穩(wěn)定懸浮。

維持參數(shù)不變?cè)俅芜\(yùn)行實(shí)驗(yàn)裝置，推力盤穩(wěn)定懸浮4～5秒鐘后，用一塊800 mT的永磁鐵來(lái)模擬剩磁，將其放在水平方向上距離E型鐵2 cm處(即d=2 cm)，得到圖12所示位移傳感器輸出的波形圖。

圖12 d=2 cm時(shí)位移傳感器輸出波形圖

從圖12可知，當(dāng)推力盤穩(wěn)定懸浮時(shí)用一塊永磁鐵放在距離E型鐵2 cm時(shí)，推力盤由穩(wěn)定懸浮變成不斷碰撞上保護(hù)軸承，說(shuō)明推力盤已經(jīng)失穩(wěn)。

4.2 定量分析剩磁的影響

剩磁會(huì)對(duì)磁懸浮軸承產(chǎn)生影響，但是一般的材料都會(huì)產(chǎn)生剩磁，因此剩磁是很難避免的，那么就需要分析剩磁對(duì)磁懸浮軸承產(chǎn)生影響的程度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出不影響磁懸浮軸承懸浮控制的最大剩磁。

調(diào)節(jié)PID參數(shù)使得推力盤穩(wěn)定懸浮，用高斯計(jì)測(cè)得定子表面上由控制產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為281 mT。接著用一塊表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為800 mT的永磁鐵放在距離E型鐵不同的位置來(lái)模擬不同的剩磁。距離值分別為4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm，可得到類似圖11的位移傳感器輸出波形圖。隨著永磁鐵距離鐵芯越來(lái)越遠(yuǎn)，對(duì)銜鐵的懸浮穩(wěn)定性的影響就越來(lái)越小，當(dāng)永磁鐵距離E型鐵12 cm時(shí)幾乎不影響其穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)時(shí)推力盤的碰撞情況如圖13所示。因此將距離為12 cm定為不影響其穩(wěn)定性的臨界點(diǎn)。用高斯計(jì)測(cè)得此時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置氣隙間磁感應(yīng)強(qiáng)度為31 mT。

圖13 不同距離時(shí)的推力盤碰撞情況

為了方便計(jì)算，定義如下公式：

(2)

式中:a為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的推力盤表面剩磁；b為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氣隙間控制磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；qx為氣隙為x時(shí)剩磁不影響懸浮控制的臨界值。

當(dāng)定轉(zhuǎn)子間氣隙為0.7 mm時(shí)，剩磁不影響懸浮控制的臨界值為：

低于此值時(shí)剩磁對(duì)磁懸浮軸承的懸浮影響輕微，不影響穩(wěn)定懸浮。

4.3 不同氣隙時(shí)剩磁對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子的影響

圖14 不同氣隙時(shí)剩磁與控制磁場(chǎng)比值

得到的擬合曲線為y=-0.013 48+0.171 5x，因此可以算出氣隙為0.4 mm時(shí)不影響懸浮控制的q0.4=5.48%。

由于實(shí)際案例的磁懸浮轉(zhuǎn)子為非開放的裝置，在其控制過(guò)程中不能直接測(cè)量得到其穩(wěn)定懸浮時(shí)定轉(zhuǎn)子氣隙間的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，而只能通過(guò)仿真得到，圖15為軸向磁懸浮軸承正常懸浮時(shí)氣隙間磁感應(yīng)強(qiáng)度的仿真結(jié)果。

圖15 定轉(zhuǎn)子氣隙間磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真結(jié)果

根據(jù)上面的研究將實(shí)際案例中的推力盤和轉(zhuǎn)子的材料都改為45號(hào)鋼，并對(duì)推力盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，即在推力盤左右兩側(cè)增加了導(dǎo)磁材料，使得磁路不經(jīng)過(guò)推力盤而從左右兩邊的導(dǎo)磁材料通過(guò)。同時(shí)在推力盤和轉(zhuǎn)子之間增加了非導(dǎo)磁材料，減少剩磁的傳遞。

通過(guò)利用Dspace和功率放大器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用PID控制算法對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子軸向磁懸浮軸承進(jìn)行控制并進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)試，最終可以實(shí)現(xiàn)軸向穩(wěn)定懸浮的效果，測(cè)得軸向傳感器輸出的一組數(shù)據(jù)并繪制成曲線，如圖16所示。

圖16 磁懸浮轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮時(shí)軸向傳感器輸出位移

從圖16可知，磁懸浮轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)短暫的起浮階段實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮。此時(shí)其軸向電磁鐵前后線圈電流如圖17所示。

圖17 軸向電磁鐵線圈電流

從圖17可知前后線圈電流從起浮到穩(wěn)定懸浮前后線圈電流基本相等。

5 結(jié)論

利用永磁鐵來(lái)模擬磁懸浮軸承的剩磁，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了剩磁模擬的正確性，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了剩磁對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子懸浮控制影響的推測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1)磁性材料本身具有的磁滯特性使得磁懸浮軸承在通電后會(huì)產(chǎn)生剩磁，而剩磁對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子的懸浮控制會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

(2)當(dāng)磁懸浮軸承氣隙間的剩磁與磁懸浮軸承控制磁場(chǎng)的比值不超過(guò)臨界值時(shí)，剩磁不影響磁懸浮軸承的穩(wěn)定懸?。蝗暨@一比值超過(guò)臨界值，剩磁將影響磁懸浮軸承的穩(wěn)定懸浮。

(3)在所研究的氣隙范圍內(nèi)，氣隙對(duì)剩磁與磁懸浮軸承控制磁場(chǎng)的臨界比值有影響，其影響近似于線性。

(4)磁懸浮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)影響剩磁的傳遞。