磁路飽和對磁懸浮感應(yīng)電機(jī)懸浮力的影響

許志松

摘 要 磁路飽和對磁懸浮感應(yīng)電機(jī)懸浮力的大小和穩(wěn)定性具有較大影響。本文先從數(shù)學(xué)上分析了磁路飽和對懸浮力的影響，并通過Ansys Maxwell電磁場有限元仿真軟件建立了磁懸浮感應(yīng)電機(jī)模型，并對其磁路飽和時的轉(zhuǎn)矩和懸浮力情況進(jìn)行了仿真，得出了懸浮力受磁路飽和的影響關(guān)系，為磁懸浮感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞 磁懸浮感應(yīng)電機(jī)；懸浮力；磁路飽和

中圖分類號：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）24-0045-02

電機(jī)作為科技發(fā)展和社會進(jìn)步的重要設(shè)備，越來越廣泛的應(yīng)用到各個工業(yè)部門，與此同時也對電機(jī)的性能提出了更高的要求。磁懸浮電機(jī)作為一種新型電機(jī)，具有無潤滑、壽命長、無摩擦、無機(jī)械噪聲等優(yōu)點(diǎn)[1]，能很好的應(yīng)用到高速、超高速電機(jī)的設(shè)計(jì)中去。

磁懸浮電機(jī)定子繞組分為兩種繞組：轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組，轉(zhuǎn)矩繞組同普通的軸承電機(jī)定子繞組一樣，為感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行提供轉(zhuǎn)矩；懸浮繞組是磁懸浮電機(jī)所特有的繞組，往懸浮繞組中通入一定大小、頻率、相位的懸浮電流能將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的懸浮起來[2]。在以往對磁懸浮感應(yīng)電機(jī)的研究中，往往都忽略了磁路飽和的影響，為了研究磁路飽和對磁懸浮感應(yīng)電機(jī)磁懸浮力的影響，本文先在理論上進(jìn)行了分析，然后運(yùn)用了Ansys Maxwell電磁場有限元仿真軟件搭建了一個磁懸浮電機(jī)模型，并對其通入不同大小的轉(zhuǎn)矩電流和懸浮電流，比較磁路飽和和忽略飽和時的懸浮力的情況，得出了相關(guān)結(jié)論，為磁懸浮電機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 理論分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，作用在轉(zhuǎn)子表面面積元上的麥克斯韋力大小為：

根據(jù)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)和磁場的基爾霍夫定理[4]：

是氣隙的磁場強(qiáng)度相量，是氣隙的寬度，、分別是定子和轉(zhuǎn)子上的磁壓降相量。

向定子中的兩套繞組輸入三相交流電流，磁路飽和時，由于定轉(zhuǎn)子鐵芯磁導(dǎo)率變小，對比忽略飽和情況，定子磁勢不變，而轉(zhuǎn)子上的磁壓降由于磁阻變大而變大，根據(jù)（1）和（2）得出磁路飽和時產(chǎn)生的懸浮力大小平均值比忽略飽和的情況下要小。同時由于輸入的是三相交流電流，磁路不飽和時，電機(jī)轉(zhuǎn)子表面的是同電流變化規(guī)律一樣的正弦規(guī)律進(jìn)行脈振的[5]，磁路飽和導(dǎo)致各個點(diǎn)上的的變化波形發(fā)生畸變，進(jìn)而導(dǎo)致懸浮力的不穩(wěn)定。

2 模型建立

本文用Ansys maxwell有限元仿真軟件來仿真磁路飽和時磁懸浮感應(yīng)電機(jī)懸浮力的情況。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]為了能產(chǎn)生一個可控的麥克斯韋力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，必須滿足以下條件：

1）（是轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)；是懸浮繞組極對數(shù)）；

2）兩套繞組產(chǎn)生的磁場旋轉(zhuǎn)方向一致，轉(zhuǎn)速一樣。

這里考慮轉(zhuǎn)矩繞組為2對極，懸浮繞組為1對極的情況。建立一個36槽定子的磁懸浮電機(jī)模型，如圖1，定子中每個槽的外圈為懸浮繞組，內(nèi)圈為轉(zhuǎn)矩繞組。選用的定子和轉(zhuǎn)子鐵芯材料為M19_24G，其磁化曲線為圖2。

磁化曲線可看出B超過1T后磁路開始趨向飽和，磁化曲線的膝部就在1T附近。

3 仿真

為了分析磁路飽和對轉(zhuǎn)矩和懸浮力的影響，給模型通入50HZ工頻的正弦三相交流電流，電流有效值不斷加大，仿真電機(jī)從不飽和到飽和的情況，給電機(jī)通入的3次電流如下：

第1次：轉(zhuǎn)矩繞組電流有效值為3A，懸浮繞組電流有效值為2A；

第2次：轉(zhuǎn)矩繞組電流有效值為6A，懸浮繞組電流有效值為4A；

第3次：轉(zhuǎn)矩繞組電流有效值為12A，懸浮繞組電流有效值為8A。

通過Maxwell軟件計(jì)算出的結(jié)果為：第1次磁路基本沒飽和，第2次磁路有一半?yún)^(qū)域在B=1T附近，開始飽和，第3次磁路有一半?yún)^(qū)域在B=1.2T附近，飽和程度較大。

3次懸浮力的變化圖如下。

為了使仿真結(jié)果具有可比性，引入忽略飽和時并且假設(shè)磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比時的懸浮力的估計(jì)值。

4 結(jié)論

對比磁路完全不飽和時的情況，在膝部附近可以用較小的電流獲得最大的懸浮力，但是穩(wěn)定性欠佳，而磁路飽和后懸浮力比忽略飽和的情況要小，且穩(wěn)定性很差。

對于普通電機(jī)，為了獲得最佳的轉(zhuǎn)矩，往往讓其工作在磁化曲線的膝部附近。但是對于磁懸浮電機(jī)為了保證懸浮力的穩(wěn)定，不能簡單的像設(shè)計(jì)普通電機(jī)一樣，讓電機(jī)工作在磁化曲線的膝部附近。實(shí)際運(yùn)行時，要根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩電流、懸浮電流的大小以及對懸浮力穩(wěn)定性的要求合理設(shè)置電機(jī)在磁化曲線上的工作點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張漢年，劉合祥.無軸承電機(jī)研究回顧、應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)基礎(chǔ)[J].微電機(jī)，2010，43（7）：81-84.

[2]王曉琳，鄧智泉，張宏荃，等.無軸承異步電機(jī)研究與實(shí)現(xiàn)[J].航空學(xué)報(bào)，2003，24（3）：259-262.

[3]朱熀秋，沈玉祥，張騰超，等.無軸承異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型與解耦控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2007，11（4）：321-325.

[4]湯蘊(yùn)繆.電機(jī)內(nèi)的電磁場[M].北京：科學(xué)出版社，1999：1-321.

[5]閻治安，崔新藝，蘇少平.電機(jī)學(xué)（第二版）[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2008：1-334.

[6]M.Ooshima，A.Chiba，T.Fukao.Characteristics of a Permanent Magnet Type Bearingless Motor[J].IEEE Tram.Indus.Application，1996，32（2）：363-370.endprint