（电机与电器专业论文）逆变器供电式三极电磁轴承研究.pdf

塑堡查堂堡圭兰垒丝壅 a b s t r a c t i n s p i r e db yb e a r i n 9 1 e s sm o t o r 趾dt h en 0 v e lc o n s t m c t i o nr e s e a r c h 0 na c t i v e m a g n e t i cb e a r i n g ( a m b ) ，1 i st h e s i sd o e ss o m er e s e a r c ho nt h ei n v e r c e 卜f e dt h r e e - p o l e a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g t h i st h e s i sf o c u s e sm a i n l yo nt 1 1 e 血e o r ya n dr e a l i z a t i o no f i n v e r t e r f c dt h r e e p o l ea c t i v em a 龃e t i cb e a r i n g f i r s t l y ，矗o ml - d o fm a g n e t i c1 e v i t a t i o nf o r c em o d e lo ft 1 1 ee i g h t p o l ea m b ，w e d e d u c et 1 1 et h r e e p o l ca m b s 删蛳c a le x p r e s s i o no ft h em a g n e t i cl e v i t a t i o nf o r c e b a s e do ne q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i t a n dt h em o d e l sc o m p u t a t i o na c c u r a c yi s v e r i f i e db ym a x w e l l 2 d ，a i le l e c 仃o m a 酽t i c6 e l da n a l y s i ss o f t w a r eo fe l e c 廿i c a l m a c h i n e s s e c o n d l y ，a c c o r d 洫gt op e n n a n e mm a g n e t t y p eb e a r i n g l e s sm o t o r ss u s p e n s i o n c o i 血o ls y g t e 【n ，w ed e s i g nt h ei n v e r 【e r - f e dt h r e e p o l ea m bc o n 矗o ls y s t e m c o m p a r e d 撕oc u n n tc o n 廿d lt e c l l n i q u e sf o r t h r e e - p b a s ev 0 1 t a g e - s o u r c ep w mc o n v c n e r s ，w e c h o o s en l eh y s t e r e s i sc u r r e mc o n t r o l l e ra st 1 1 ec u r r c n tc o m r o lt e c l l n i q u e a i l dt h e nw e b u i l dt h e i n v e r t e r - f e d 也r c e 巾o l ea m bc o n t r 0 1s y s t e m i ns i m p l o r e r ，曲 p e r f o m a n c eo f t l l ec o n i r o ls y s t c mi sv e r i f i e db ym es 妇u 1 撕o n t h i r d l y ，a c c o r d 访g t ot h er e q u i r e m e mo fm ee x p e 血n e n t ，w ef i i l i s h e dt h e m e c h a j l i s mp l a t f o 咖o ft 1 1 ee x p e r i m e m b a s e do nm ed e s i g np r i n c i p l co fa m b ，t h e t h r c e - p 0 1 ea m bi sd e s i g n e da l l d 锄a l y s e di 1 1t h em a x w e l l 2 d a t1 a s t ，c o n t r a s tt od s pb a s e d 黼c o n t r o ls y s t e m ，w ei 1 1 廿o d u c e dt h er a p i d c o n t r o lp r o t o t y p i n g 怂忸c o i n r o ls y s t e mb a s e do nd s p a c e l l 0 3 a n dw es e l e c tt y p e a 1 1 dp 龇a m e t e ro f 也ec o n 廿0 ls y s t e m sm a i l lc o m p o n e n t k e y w o r d s ：a c t i v em a 弘e t i cb e a r i n g ；i n v e n e r ；t h r e e p o l e 浙扛太学缓士学位论文 1 1 电磁轴承概述 1 绪论 毫磁辘承( 又髂烫磁悬浮耀承) 是翻鬻罐场力将转予惹浮手空中，侵定子移 转子之间没有任何机械接触的一种高性能的轴承。电磁轴承技术是国际上2 0 世 缎6 0 年代中期开始研究的项新的支承技术。它是集机械学、力学、控制工程、 镦磁学、电子攀帮诗算规科学子一体豹最基代表性的枧迄一体化产熬。由于其独 褥斡往髓覆受弱国蠹努专家鞠诸多企蝗器入士酶关注。入类对电磁辅承研究的成 功，标志着对传统支承技术的革命。 电磁轴承艇有传统轴承光法比拟的许多优越性能。主要表现谯如下方面： ( 1 ) 可数这蘩较毫骢转速。箕转速只受转子耱懿墩受褰心力戆强度疆裁， 不髓磁辕承尺寸的限制，因而可大大增加主轴的惯性剐度。 ( 2 ) 摩撩功耗较小。转子只有磁滞及涡流引起的功耗，耗能少。 ( 3 ) 维护成本低，毒命长。由于电磁辘承是靠磁嬷力来悬浮融颞，相对运 魏袭嚣之淘没鬻接魅，不存在摩擦、蘑按帮接继疲势产生酌寿命溺麓，所以电磁 轴承的寿命和w 靠性均远高于传统类型轴承。 ( 4 ) 电黻轴承无需润滑。可省去泵、管道、过滤器、密封元件，也不存狂 澜游毒g 对巧竣瓣污染。在爽空、辐菇亵禁止滤游裁分矮污染豹应舞场合，磐奏窆 技术、超净茏鬻室以及腐蚀饿或非常纯净的介质等，漱磁轴承具有觅可比拟的优 瓣。 ( 5 ) 磁浮轴承的动态特性可控制、优化，其动态燃能主要取决予所用控铡 臻撵，这襻胃绞蠲度、疆跫等与辘承戆王终茹| ：弦甚至遮行狡态帮转速相适应，哥 使转子平稳运转；轴承的动力学参数( 如网0 度、阻尼等) 可以通过调节控制器参数 方便地进行调节，具有灵灞的剐度和阻尼特性调整能力。 8 ) 转子熬控制精度，翅转子戆西转凝瘦，主要敬决予控麓垮繁中痞号豹 测整精度，不髓其它因素影响。当然，磁懋浮轴承也窬不足之处，黧簧是必须外 加控制装置，结构复杂，成本高。这主嚣照没有建立大舰模的产品系列并使其商 龆化、规模化，目前还很难大幅度降低成本。 电磁辘承缓憨浮方式窝缝籀等多器方法来分类，蠢缀多类銎。 ( 1 ) 按磁场力来源分类，可以分为永久( 或超导) 磁铁型、电磁铁型以及漏 台磁铁型3 种。 ( 2 ) 按磁场力是否可以人为蟪控制分楚被动型帮童动型。瘩久( 凌超导) 磁 塑鎏查兰篓点里鳖整奎一一 铁型只可能媳被动型，后两种电磁铁型以及混合磁铁越则可以是主动型，也可以 鼹被动型。 ( 3 ) 按受控数耋国度数莓激分一辍、二辘、妻黧菱麓。 ( 4 ) 按臻构可分为立式、卧式、肉转子型和外转子型。 ( 5 ) 按作用力可分为吸引式和排球浅。 ( 8 ) 按接触方式可分淹完全非接触型瓤部分接触型。 ( 7 ) 援滚麓铁控麓类麓霹分为交流撩翻式饔壹滚控麓式。 目前，谯电磁轴承研究领域主要以岚流主动控制吸力型电磁轴承为研究对 敷。 1 2 电磁轴承的研究与发簇历变 利用磁力使物体处于麓接触悬浮状惫的设想由来已久，但实现起来著不嚣 荔。翠在1 8 4 2 年，a r n s h o w 藏涯翳：擎纛永久磁髂燕不裁褥一拿铁磁落在瘊鸯 6 个自由度上都傈持在自由稳定的悬浮状态的。然丽，真正意义上的磁悬浮研究 怒从本世纪初的利用电磁捅吸原理的悬浮车辆研究开始的。1 9 3 7 年，德国k e i n p e r 审请了第一个磁悬浮技术专潮，毡认为蘩使铁磁体实现稳定豹磁悬浮，盛须根据 耱体静悬浮状态不断逮调节磁场力酶大小，帮采露可羧电磁铁牙髓实现，这一露 想成为之后开展磁悬浮列车和电磁轴承研究的主婚思想。同一时期，美国 v i r g i n i a 大攀的b e a m s 和h 0 1 m e s 也对磁悬浮理论进行了研究，他们采用电磁悬 浮笈拳悬浮小球，著递遘镶球裹速蓑转辩戆承受熬囊，0 力亲溅突试验毒孝辩貔强 度，这可熊怒瞧界上最早采糟磁悬浮技术支撑旋转体懿应用实伪。 电磁轴承作为一种新的支承形式，其优良的性自& 和广阔的应用前景引起了众 多学者和工程技术人员的浓厚兴趣。髓潜现代控制理论翘电子技术舱飞跃发展， 2 0 毽筑年代中赣对磁浮技术斡研究跃上了一个薪奁输。英匡、霞本、德重帮 相继开展了对磁悬浮列车的研究。电磁轴承的研究是磁悬浮技术发膨并向应用方 向转化的一个麓要实例。据有关资料记躐：1 9 6 9 年，法国军部科研实验室( l r b ) 开始对邀瑾鞍承的磅究；1 9 7 2 年，褥繁一个亳磁辘承瘸子翌星导涵轮熬支撵上， 从雨揭开了电磁辘承发震的痒幕。此螽，电磁轴承缀恢被应用到国陆、航天等备 个领域。美国襁1 9 8 3 年1 1 月搭载了航天飞机上的欧洲空间试验仓服采用了电磁 轴承真空泵；1 9 7 6 年法国s e p 公司和瑞典s “公司联合藏立了s 2 辚公司，专门 秀发工监应用豹电磁辘承。1 9 8 3 年s 2 醚公露在第夏嚣歉灏撬臻震嚣会上震忝7 电磁轴承电主袖部件。1 9 8 4 年，s 2 l 公司与日本精工e 粗子工业公司联合成立了日 本电磁轴承公囿，在日本主产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等，同年日本东 漤公司也雄文了嵩速邀磁辘墩镌裁头，势憋亳磁辘承劂必2 0 望纪鞠年锭豢懿热 2 澎江丈学硬女学位论文 工技术之一。j 黩1 0 年来，s 2 m 公司己开发了机床用电磁轴承3 0 余种、5 0 0 余套。 目前，转速为1 8 0 0 0 r m i n 的磨床已投入实际应用。电磁轴承在透平机械上例如 凌驾心基缀凝、分手溟轮裂、气搭基缀飘秘囊湿气冷壤糖氮气透乎簇漭窝蓬滤系 统等大登民尉设备上已经褥翁了广泛的殿粥。1 9 8 9 年，欧濒已将魄磁轴承技术 成用在9 0 0 唧和1 3 0 0 m w 的透平发电机的转子支承上，用于抑制经谶临界转速时 绷叶片损坏后 起的转子掇幼，电磁力达到3 0 0 k n ，1 9 9 3 年l o 周强英国北海海 滨4 毒采舔毫磁辘承懿透乎蓬缭疆投入运行。每台魂零为3 。3 瓣，转遮为i 6 s 0 瀣 m i n ，主要用于天然气的露点控制，改进后的4 套装鬣的利用率己达到9 9 。 电磁轴承的发展与研究越来越受到阑内外工程界和学术界的广泛关注。从 1 9 8 8 年至今鞠继召= 拜了，聪国蓐电磁辅窳会议，扶已发表载文欺瓷糖可酸看出， 英研究内容渗获戮电磁学、瞧子学、控制蘧论、辊裱攀、转子豌力举、榜籽学帮 计算机科学等学科。目前较为活跃并处于领先地位的主要有瑞士联邦工学院 ( e t h ) 、美国m a r y l a n d 大学和v i r g i n i a 大学、日本系柬大学和英国s u s s e x 大学 镰疆究援麴，波及法国s 2 接、瀵i b 轰g 、焚蓬g i a e i e r 、羹蓬e o 髯、瓣 、s 矗踅臻 等生产厂家。 经过4 0 多年的发展，电磁轴承在国外的应用场仑进一步扩大。国外不仅将 彀磁轴承应用予航天部门、梭_ 工业部门，褥且已迅速虚聪到军事帮门秘基籀工业 帮门斡数蚕秘不砑静旋转或往复运动辊械上，魏卫星惯性飞轮、煞鬃储存飞轮、 袋态控制飞轮、火箭引擎遮平泵、高速磨床、高速铣床、高速车床、黼速电动机、 离心机、透平臌缩机和真空激等。所达到的技术指标范脶为：转速o 一8 1 0 5 r m i n ； 纛经1 4 一s 0 0 泓；擎令辘承歇裁力0 。3 i 0 i 漆；嫒鼹基菠葱嚣一2 5 3 e 一4 5 0 e ；霹度1 0 5 一l o 杈m 。这说明莺夕 已将电磁轴承作为眈较成熟的工溉产品推向7 用户市场。 我国对电戳轴承的研究工作起步于2 0 世纪8 0 年代翘。晗尔滨王妲大学、西 交交逶大学、渗牮丈学、鬻容靛空靛天大攀、上海大攀等凌搜宠爱开震了整磁辘 承系统的研究。西安交通大学轴承研究所予1 9 9 0 年强国内首次实现了4 个自由 魔电磁轴承的稳定磁悬浮，蠼高转速3 0 0 0 r m i n 。1 9 9 4 年，该校为许封空分机厂 磺铡了l 套5 个蹇密度的魄磁辘承，转速遮到3 s 0 r 屈i n 。涛华大学电磁辘承 研究室为无锈蘑床厂研钢了磨床主轴角电磁轴承，并掇在开展l o 珊寓温气冷堆 用氮气透平电磁轴承的研究工作。南京航空航天大学予1 9 9 2 年开始对航空发动 机用电磁轴承系统进行跟踪研究，研究工作获得了江苏省和航窆料学基金的资 韵，嚣蘩己建黢3 令毫麓辘承试验台，转运迷鬟鞠髑敬屈i h 。上海大学辘承磷 究塞和苏州西迭低温设备厂含作研制成功的1 5 0 m 3 透平制氧膨胀样机转速达到 9 8 0 0 0 r m i n 。沈阳发动机设计研究所和上海大学念作研制成功了转速为 2 0 0 0 0 r 氆i n 煞髋窆发动机爨毽试验搀杭，转子质量兔s 3 埝。审莺燃气援轮磅究 3 浙江大学硕士学位论文 院和南京航空航天大学等单位在“十五”期间已正式立题开展“磁悬浮多电发动 机关键技术”研究，以某小型发动机为验证平台，研制航空发动机用高温电磁轴 承。沈阳黎明航空发动机集团公司也在2 0 0 2 年委托南京航空航天大学研制地面 燃气轮机用的大型电磁轴承。 目前我国的电磁轴承仍处于实验室研究阶段，而且在轴承刚度和承载能力方 面距离大规模应用还有一定差距，在工业应用方面基本上是空白。有关电磁轴承 设计方面的技术指标和标准还没有制定。为了使得这一科学技术为生产建设服 务，必须将电磁轴承这项高新技术迅速转化为生产力，这是我国的科技人员所面 临的一个新的课题。 1 3 电磁轴承的应用前景 电磁轴承的早期应用领域是航天工业。随着科学技术的不断发展，电磁轴承 性能的改善和成本的降低，应用的范围已扩展到多数旋转机械，如机床工业、透 平机械、航空工业、飞轮电池等吼 ( 1 ) 在机床主轴支承中的应用 随着现代工业对加工精度的不断提高以及机床转速的增加，传统的滚动轴承 和静压轴承均已明显地不能满足对支承的要求，其中尤以噪声、振动、发热及使 用寿命等问题更为突出。另外，在传统的轴承中，供油系统也是必不可少的这 不仅使结构更趋复杂，同时又产生了诸如污染等许多问题。所幸的是，上述问题 在采用了电磁轴承后均能获得圆满的解决。 法国的s 2 m 公司已在数百台机床上成功地应用了电磁轴承，包括各种高精度 车床、铣床和磨床，而磨床方面的应用尤为突出。 ( 2 ) 在透平机械中的应用 透平机械是a m b 应用的另一个主要领域。尤其是在高速旋转机械方面，a m b 更加显示出它的优越性能。例如，采用姗后，超速离心机转速可达1 0 0 0 0 0 0 r 功i n ；支承大型机械转子的电磁轴承直径可达1 2 5 m 以上，支承转子重量 达1 0 0 0 k g 。 另外，使用a 她的旋转机械还有：压缩机、鼓风机、各类泵、气体膨胀机和 能量回收透平、汽轮机和燃气轮机、发电机和电动机等。 实际上，a m b 不但可以支承旋转机械中的转子，对平动或其他各种运动的部 件均可实现非接触支承，充分体现其广阔的应用前景。 ( 3 ) 在航空发动机中的应用 在航天方面，a 岫主要的应用对象有低轨道地球卫星和航天器中的超真空 泵、中子粉碎机、卫星惯性飞轮和能量储存飞轮、姿态控制飞轮、火箭引擎透平 4 浙江大学硕士学位论文 泵、制冷透平泵、环状悬浮定位系统以及反射镜的驱动机械装置等。 在航空方面，电磁轴承可用于各类风泵、各种惯性飞轮、能量储存飞轮和姿 态控制飞轮、各类定位系统、驱动机械装置和航空发动机主轴的支承等。 ( 4 ) 飞轮电池的应用 飞轮电池装置一般是由高速飞轮、电动发电机、电磁轴承支承系统、功率 电子变换器、电子控制设备以及附加设备( 如真空泵、紧急备用轴承) 等组成，是 一种积木式的集成系统。电磁轴承对提高飞轮电池系统整体的效率和保持飞轮储 存的能量至关重要。 a ) 电力调峰 电力调峰是电力系统必须要解决的重要问题。国际上正在大力开发飞轮储能 技术。飞轮储能技术是在电网负荷处于低谷时，双向互逆电机作为电动机拖动飞 轮，把电能转换为动能。当在用电高峰时，互逆电机作为发电机把储存在飞轮中 动能转化为电能。与目前常用的抽水蓄能的技术相比飞轮储能技术具有能量输 入、输出快捷，转换效率高，成本低、充放电快捷，不污染环境等特点，因此受 到广泛的重视。基于飞轮储能技术具有可就近分散放置，不污染、不损坏环境等 特点，在电力行业有广泛的应用前景。因此，众多的国际研究机构将飞轮开发目 标最终定为电力调峰。 b ) 电动汽车电池 目前随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾，开发节能及采用替 代能源的环保型汽车，以减少对环境的污染，是当今世界汽车产业发展的一个重 要趋势。汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。能找到储能密度大、充 电时间短、价格适宜的新型电池，是电动汽车能否拥有更大的机动性并与汽油车 一争高下的关键，而飞轮电池具有清洁、高效、充放电迅捷、不污染环境等特点 而受到汽车行业的广泛重视。预计2 l 世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究 热点。 c ) 不间断电源 不间断电源由于能确保不间断供电和保证供电质量而在通讯枢纽、国防指挥 中心、工业生产控制中心等地方得到广泛使用，目前不间断电源由整流器、逆变 器、静态开关和蓄电池组等组成。但目前蓄电池通常都存在对工作温度、工作湿 度、输入电压、以及放电深度等条件要求。同时蓄电池也不允许频繁的关闭和开 启a 而飞轮具有大储能量、高储能密度、充电快捷、充放电次数无限等优点，因 此在不间断电源系统领域有良好的应用前景。 5 浙江大学硕士学位论文 1 4 电磁轴承的研究与发展趋势 目前电磁轴承的研究与发展主要集中在新材料、新结构、系统建模和轴承控 制方面【4 】o 1 4 1 新材料与新结构的应用 1 永磁与电磁结构相结合 由于永磁材料的固有磁特性，可以利用它来降低可控电磁铁的偏置电流，减 少系统功耗，并且产生同样的磁场，永磁比电磁的体积小，可使系统结构变得简 单，易于磁悬浮系统的集成。 随着永磁材料的研究和发展，磁性能不断提高，特别是n e f e b 系列永磁体的 开发，使永磁应用到磁悬浮领域的费用大幅度降低，为工业应用提供了可能性。 然而，永磁的气隙磁场强度往往是恒定的，不易调节，故目前研究的多为永磁偏 置的被动与主动混合控制模式。永磁体的退磁和漏磁是工业应用中亟待解决的问 题。合理设计永磁体的形状和配置，使更多的磁通量汇聚到工作气隙中，从而提 高转子的承载能力。目前多采用h a l b a c h 阵列来增加工作气隙中的磁通量，如在 永磁电机中采用h a l b a c h 阵列可以提高电机能量密度，减小电机体积。提高永磁 电机的性能。此外美国的l a w r e n c el i v e m o r e 国家实验室还将之用于飞轮能量储 存系统中，以提高永磁体的利用率。另外在结构上出现了锥形混合磁悬浮轴承， 它的控制磁场和永磁磁场各自独立，也提高了转子的承载能力。 2 自传感器结构( s e l f s e n s i n g ) 自传感器结构即从可控电磁铁中提取转子的位移信号，控制的输入信号与输 出为同一电路。调谐l c 电路轴承是经常应用的自传感器结构，它利用l c 电路共 振的特性设计而成。此类轴承的缺点是所产生的力和刚度不大，且不能象机械阻 尼或主动轴承那样产生阻尼，因此这样的系统易不稳定。它们被应用于精度要求 不商的场合，如陀螺仪表等。但如能用其他手段产生阻尼，再加以合理的设计， 可获得满意的效果。澳大利亚的n i c h o l a s g u i r e 在流体中利用l c 调谐轴承， 利用转子与定子问的流体作为阻尼器，获得了满意的效果。 另外为了提高该类磁轴承系统的整体性能，人们在信号提取和控制输出等方 面进行了研究和改进。如日本s a i t a m a 大学在位移传感器中采用频率反馈和锁相 技术；美国的m y o n g g y udn 0 h 等采用数字信号处理技术从电流波中提取转子位 移信号等。 3 无轴承电机 由于磁轴承结构和交流电机定子结构相似，可以把磁轴承中产生径向力的绕 6 浙江大学硕士学位论文 组绕制在原来的电机定子绕组上，使径向力磁路和电机的旋转磁路合成一个整 体，并同时控制电机的旋转和转轴的悬浮，实现无轴承电机。这个概念最初由 r b o s c h 于2 0 世纪8 0 年代末提出来。在瑞士的j b i c h s e l 实现了同步电机的 无轴承技术之后，无轴承电机的研究引起了重视。与磁轴承电机相比，无轴承电 机具有体积小，耗能少，转速更高等优点。但由于将磁轴承绕组和电机定子绕组 叠压在起，使得无轴承电机系统具有复杂的非线性强耦合特性，主要表现在： 电磁转矩和径向力之间存在耦合；因磁饱和、温度变化等因素所引起的电机参数 的变化。为解决以上难点，人们在解耦控制和磁饱和的影响等方面进行了研究。 如s c h o br 和b i c h s e lj 等提出了个近似线性化的基于矢量变换的控制方法来 实现电磁转矩和径向力之间的耦合控制，但该算法构造比较复杂，需对多个磁通 矢量进行控制；c h i b aa 等提出了对电机电流的幅值和相角进行补偿来保持旋转 磁场的平稳转动和幅值恒定，以实现径向力分量控制之间的解耦等。但以上只实 现了静态解耦，且控制方法都没有考虑针对电机参数的变化来设计控制算法。 4 超导磁轴承( s 惦) 1 9 3 9 年，布朗贝克对磁悬浮作了进一步的物理剖析，唯有抗磁性材料才能 依靠选择恰当的永久磁铁结构与相应的磁场分布而实现稳定悬浮。但目前由抗磁 所产生的磁力实在太小，因而没有工程实用价值，只有超导体的抗磁效应所产生 的磁场力才足够大。 但在实际应用中，单靠超导体的磁悬浮轴承在承载能力和刚度方面尚不能和 电磁铁轴承相比，故超导磁轴承一般与永磁轴承、电磁轴承( a m b ) 等相结合构成 一个稳定的混合型磁轴承。 由于超导特性多在低温下产生，故需要一套保持温度的复杂结构，耗资不菲， 不利于大规模应用。为了改变超导体的温度限制，近年来人们加紧了具有抗磁性 能的高温超导体的研究和实验，并已被应用于飞轮储能系统中。 5 斥力式磁悬浮轴承 磁悬浮轴承按照悬浮转子的磁力分为：吸力式和斥力式。吸力式磁悬浮轴承 在径向上是一个不稳定系统，需采用控制手段。此外，若突然断电或控制失效， 则悬浮转子将发生“坠落”，虽有辅助轴承保护，对轴承仍有较大冲击。雨斥力 式则可以改变吸力式的缺点，在径向可以保持稳定，控制主要考虑轴向位移。且 在突然断电的情况下( 永磁与电磁混合使用) ，可以防止悬浮转子的“坠落”带来 的冲击力对轴承的损害。但斥力式霈永磁体有较高的矫顽力以克服同性相斥所引 起的退磁现象。近年来随着较高矫顽力磁性材料的不断涌现，使斥力式磁悬浮轴 承又被人们重新认识和研究。印度的j i f u k h o p a d h y a ysc 与日本to h j j 等人的论 文是比较有代表性的研究成果。除以上几方面的发展外，近年来人们在减少系统 能耗方面对电磁轴承的结构进行了研究，出现了三极电磁轴承。但非线性令此类 7 塑婆盔兰堡主兰堡望苎 一 轴承系统更为复杂。对三极电磁轴承的研究现在主要有用三相逆变器供电和用 开关功率放大器供电两种方式，用开关功率放大器供电的三极电磁轴承，台湾学 者已经做出了样机，并实现了转子启动悬浮和旋转时的稳定悬浮。 1 4 2 系统建模 磁悬浮轴承系统一般由机械部分和电气部分组成，建模分为两部分：被控对 象与执行器。 l 柔性转子的建模 在早期的磁悬浮轴承的研究中，为使控制简单，研究对象多为较简单的刚性 系统。此时转子轴的自由度数目较少，控制时只需对各自由度分别实施解耦控制 即可。但随着它被越来越多的应用于高速旋转机械中，建模对象实际是一个多自 由度柔性转子轴承系统。其自由度数目随着质点数目成四倍地增加，且质点间和 径向支撑与转子间的耦合无法避免。目前，在系统建模时，将更多地采用柔性转 子系统分析方法。 2 涡流和磁滞后模型 在磁悬浮轴承中，涡流和磁滞后现象是必然存在的。涡电流不仅耗能，而且 产生热量，对转子系统产生影响。为了阻断涡电流，转子轴颈部位多采用叠式结 构。为了进一步了解涡电流和磁滞后，近年来人们对其在转子系统中的稳定性及 功率损耗等方面进行了有效的探索。如y o s h i m o t o 最早用有限元法计算了磁轴承 中漏电流的损耗；r o c k w e l lrd 在两维空间中采用麦克斯韦方程将磁势矢量的 微分方程解耦，计算涡电流量；m a t t ia n t n a 等就径向磁轴承的涡流建立了基 于非线性磁阻网络模型和一维线性涡流方程，发现涡电流对电流刚度、位移刚度 等线性化参数的影响较小，而磁饱和是以上线性参数大小变化的主要原因。 随着转子转速的提高，涡电流也会越来越强。近几年，人们在永磁轴承系统 中利用涡电流在高转速时产生的力成功地实现了稳定悬浮。但这类系统提供的刚 度不高( 几千n m ) ，只在一定转速范围内保持稳定，且在低速情况下由于涡电流 产生的力较小而需要辅助支承。 随着磁悬浮轴承应用范围的扩大，对系统的转速和精度要求也越来越高。在 系统建模时，涡流和磁滞后现象对电流剐度、位移刚度和功率损耗等的影响将被 考虑在内。 3 控制系统和结构特性的融合 磁悬浮系统的性能与传统轴承不同，它是由轴承控制系统和转子结构动态特 性综合作用的结果。研究传统轴承的动态特性已有较为成熟的方法，可将其加以 改进应用于磁悬浮系统。国内外学者对此进行了研究，如m a s o ns 、t s i o t r a sp ， 虬l a i r ep 采用有限元法，研究磁力轴承转子系统的设计；唐钟麟采用传递矩阵 8 浙江大学硕士学位论文 法，提出了电磁轴承柔性转子系统特性和参数分析方法等。但将转子结构动态特 性和轴承控制系统分别进行分析，则对磁悬浮轴承系统的整个动态性能不能全面 了解。因此有学者提出了基于结构动态特性的磁力轴承转予系统的设计方法。该 方法综合有限元法和传递矩阵法二者优点，在分析磁力轴承的动力学特性基础 上，对转子的结构动态特性进行了有限元分析。 1 4 3 轴承控制 电磁轴承及其支承的转予本质上是一个多自由度运动体的位置控制系统。由 于电磁力与气隙大小之间存在非线性反比关系，电磁系统本身具有内在不稳定 性，必须采用负反馈控制方能使其稳定，控制器是电磁轴承系统的关键部件。传 统的反馈控制系统通常采用p i d 控制器，比例反馈能够调节电磁轴承的刚度，微 分反馈能够调节阻尼特性，积分环节则用来提高系统的静态刚度。p i d 控制器结 构简单，易于调节，可靠性好，应用广泛。但是，随着磁轴承转速的不断提高和 运行工况的不断复杂，简单的p i d 控制器已越来越不能满足工程应用的需要。近 年来控制方法的研究可归纳为以下几方面。 1 状态观测器方法 转子因不平衡而在旋转过程中产生与转速同频率的涡动，并会引起机座的振 动。通过观测器来估计转子的不平衡特性，将其当作扰动外力( 或传感器的误差 信号) 看待，由电磁轴承产生电磁力来抵消此扰动。采用这种方法可以使转子精 确地绕固定坐标轴旋转。但该方法要求电磁力与转速平方成正比，随着转速的提 高，电磁作动器会产生溢出。这种方法还要求精确建模，因为任何微小的模型偏 差都可能严重影响观测器的性能和精度。 2 最优控制方法 最优控制通常采用被控系统的输出与控制输入的加权二次型作为性能指标， 以便使被控系统的动态响应和控制经济性均得到保证。由于可观测的信号数量通 常少于状态变量，最优控制律的实现要借助状态观测器，当系统模型阶数较高时， 观测器参数对模型扰动很敏感，会导致系统失稳。为此l a r s o n n e u r 和h e r z o g 研究了一种结构预定义最优控制方法，所使用的优化方法与普通l q g 方法很相 似，所不同的是引入“结构预定义”，即事先对控制器结构施加了约束，采用分 散控制结构。这样不仅降低了控制器阶数，又避免了观测不精确问题的出现。 最优控制的另一个不足之处是对受控对象模型的精确性要求较高，因而当系 统内部特性或外部扰动变化很大时，系统的性能指标常常会下降。甚至会导致系 统失稳。 3 智能控制方法 智能控制方法是指那些基于在线学习和辨识的控制方法。如模糊控制、神经 9 浙江大学硕士学位论文 网络控制等，此类方法的特点是被控系统可当作“黑箱”来处理，不需要任何有 关的先验知识，控制器可根据输出响应来学习系统特性并根据需要对控制参数实 施在线调节。这些方法的优点是能够克服电磁轴承非线性特性给系统造成的影 响，但这些方法在工程中未得到普遍应用。而且大多数情况下，磁轴承均能工作 在平衡点附近的线性区内，因而与一般的线性控制方法相比，上述方法并未体现 出明显优势。 4 鲁棒控制方法 鲁棒控制的基本原理是选择反馈控制规律使闭环系统稳定，并且对模型摄动 及外界扰动具有一定的抵抗力。目前鲁棒控制方法主要有h 控制和变结构控制 等。h 。控制是以外界扰动与系统输出之间传递函数的h 。范数作为度量工具，其 控制目标力求使受扰动系统最“坏”情况的输出误差达到最小。变结构控制是一 种非线性控制方法，其基本原理为：寻求个或几个切换函数，当系统状态达到 切换函数时，系统的控制由一种结构转换成另一种结构。研究结果表明，变结构 控制器和h 控制器对系统模型摄动( 包括转子和电磁执行器中的参数变化) 及外 界扰动具有良好的鲁棒性。 1 5 本文研究内容 在如此众多的电磁轴承的发展方向中，我们选择了逆变器供电式三极电磁轴 承作为研究的课题，相比于传统的八极主动电磁轴承，这种逆变器供电的三极电 磁轴承具有很多的优点。首先，由于是逆变器供电，因此主电路的拓扑结构与我 们常见的电机拖动系统有很多相似之处，和通用变频器的拓扑结构基本一致，与 八极式主动电磁轴承相比不需专门开发功率放大器，通用性更好，也更加经济： 其次，三极电磁轴承具有铁损低、散热性能好、绕组和传感器安装方便等优点： 再次，相比于八极主动电磁轴承的两个自由度的分散控制，逆变器供电式三极电 磁轴承能实现对转子径向位移的集中控制。当然三极电磁轴承也有缺点，其缺点 就在于由于磁链耦合带来的非线性，给控制带来困难，另外相比于八极主动电磁 轴承这种新结构的电磁轴承负荷承载力稍低。 本文首先分析了八极结构的电磁轴承的磁悬浮力解析模型，在此基础上推导 了三极电磁轴承的磁悬浮力解析模型，并用m a x w e l l 2 d 电磁场有限元仿真软件验 证了解析模型的正确性。参考永磁型无轴承电机的磁悬浮控制系统，在三极电磁 轴承磁悬浮力解析模型的基础上设计了磁悬浮控制系统，在s i m p l o r e r 中验证了 控制系统的正确性。电磁轴承系统是个复杂的机电系统，包括机械部分和电气部 分。完成理论研究后，我们就着手实现电磁轴承系统，首先完成了电磁轴承系统 的机械实验平台设计和电磁轴承本体设计，接着基于d s p a c e l l 0 3 仿真平台设计 1 0 塑垩查堂堡圭堂堡堡奎一了控制系统，完成了控制系统主要电气元件的选型。具体研究工作包括以下几部 分内容： 第章：绪论：通过文献综述，详细介绍了电磁轴承系统的基本分类和特点， 分析概括了国内外电磁轴承系统研究现状、应用前景、发展趋势，介绍了本论文 选题的目的和内容。 第二章：三极电磁轴承的基本理论：由八极结构电磁轴承的单自由度磁悬浮 力分析介绍了三极电磁轴承的基本原理，运用等效磁路法推导了三极电磁轴承磁 悬浮力解析模型，并用m a x w e l l 2 d 软件进行了有限元分析验证了解析模型的正确 性。 第三章：三极电磁轴承的磁悬浮控制：参考永磁型无轴承电机的磁悬浮控制 设计了逆变器供电的三极电磁轴承的控制系统，分析了电压型逆变器各种三相电 流控制方法的优缺点，选择滞环电流控制为三相电流控制方法。在s i m p l o r e r 中搭建了逆变器供电式三极电磁轴承的磁悬浮控制系统，仿真验证了所设计的控 制系统的正确性。 第四章：机械实验平台和三极电磁轴承本体研究：按实验要达到的要求完成 了机械实验平台的设计，接着从电磁轴承本体设计的一般原则出发，完成了三极 电磁轴承本体的设计，并用m a x w e l l 2 d 软件进行了简单分析。 第五章：逆变器供电式三极电磁轴承控制系统实现：对比传统的基于d s p 的电磁轴承控制系统，介绍了基于d s p a c e l l 0 3 的仿真实验平台的快速控制原形 电磁轴承控制系统，并在此平台上完成了控制系统主要电气元件的选型和参数确 定。 第六章：总结与展望：概括了论文成果和创新之处，并对以后的研究工作进 行了展望。 浙江大学硕士学位论文 2 三极电磁轴承的基本理论 2 1 三极电磁轴承的基本原理 三极电磁轴承的研究是由八极电磁轴承的研究引申开去的，因此对三极电磁 轴承的运行原理也要从电磁轴承中的电磁力和八极电磁轴承的单自由度磁悬浮 力研究开始。 2 1 1 电磁轴承中的麦克斯韦力 磁场在不同的磁导率的磁性物质边界上产生的表面张力称为麦克斯韦力，该 力的方向为垂直于铁磁物质表面向外，其大小与转子表面磁密的平方成正比。当 电磁轴承转子和定子同心且当电流为恒定时，虽然电磁轴承中垂直于转子表面的 麦克斯韦力很大，但由于气隙磁通对称分布，故麦克斯韦力合力为零，如图2 1 所示。当转子偏离气隙中心，引起气隙减小处的气隙磁密增大，气隙增大处气隙 磁密减小，作用在转子上的麦克斯韦合力将指向转子偏心使气隙进一步减小的方 向。转子的偏心量越大，作用在转子上麦克斯韦合力也就越大。 ( a ) 均匀气隙下麦克斯韦力 ( b ) 不均匀气隙下麦克斯韦力 图2 1 麦克斯韦力产生原理图 2 1 2 单自由度的电磁轴承一转子系统的数学模型 分析研究电磁轴承转子系统的动力特性，必须建立起与之相对应的数学模 型a 一个完整的电磁轴承转子系统，在系统解耦后，可以简化为五个独立的系 统来分别加以控制，因而下面介绍建立八极结构电磁轴承的单自由度的数学模型 1 2 浙匹大学硕士学位论文 的过程，通过单自由度的数学模型的推导为三极电磁轴承的磁悬浮力数学模型的 建立提 c i + 刊 。l q 彰 + p 吠 2 i 下c q + x 尉2 2 单自由度羞动驱动模式示意图 在电磁轴承中，某个自由度上的磁极一般被对称的安排成如图2 2 所示那 样，下面的讨论是以x 方向为例：采用一对对称的功率放大电路，按差动模式驱 动电磁铁，这样就可以同时获得一对方向相反的磁作用力，以单线圈结构为例， 当转子位于轴承几何中心位置时，为了建立磁场，在上、下磁极线圈中通有相等 的电流i 。，i 。为偏磁电流。 当转子在x 方向移动了x 的微小位移时，根据麦克斯韦力可知，气隙减小处 磁场力进步增大，气隙增大处磁场力减小，导致转子进一步偏离平衡位置，因 此要引入位移环的闭环控制来使转子回到平衡位置，通过控制器产生控制电流 i 。，差动工作方式工作的电磁铁产生合力使转子回到平衡位置。 为便于数学分析，作如下假设： ( 1 ) 考虑定子铁心工作于铁磁材料的线性段，不考虑铁心饱和的影响。 ( 2 ) 与气隙的磁阻相比，定子磁路的磁阻可以忽略不计，即磁动势全部降 落在气隙上。 ( 3 ) 不考虑电磁铁的漏磁，忽略边缘效应。 ( 4 ) 将转予作为单质点集中质量来处理。 ( 5 ) 上下两个电磁铁以及功率放大器的结构对称，工作特性以及参数相 同。 设单个磁极下气隙横截面积为s 。，线圈匝数为n ，稳态时的气隙为c 。，当轴 向上产生偏移时，则转子与上磁铁之间的气隙为( x 。一x ) ，相应的，转子与下磁 铁之间的气隙为( 轴+ x ) 。控制电流为i 。，功率放大器以差动方式工作时，上、 下线圈上的电流分别为( i 。一i 。) 及( i o 十i 。) 。 铁心中的磁通密度： n l b = 一 ( 2 一1 ) c o 转子表面s 。面积上受到的麦克斯韦力可表示为： 1 3 f ：兰一r ( 2 2 ) 2 胁。 则上下两磁铁产生的电磁力分别为： 正2 警。知2 c 鞫2 。， e = 掣等寺刚2 枯2 4 矗 4 ”“ 。c n + x 式中= 4 万1 0 “为真空磁导率。 则作用在转予上的电磁合力f 为： n 曩一2 去脶2 啭) 2 案) 2 】( 2 - 4 ) 当转予静态悬浮在轴承的几何中心时，有x = 0 ，此时有f 。= o 。 当转子在其静态平衡位置附近作小位移扰动时，且i 。 i 。，在x = o ，i 。2 0 处 对式2 4 做t a y l o r 展开，略去高阶小量，得到： f = r + k x + 庀矗t ( 2 5 ) 式中k = 一硒s o 2 ，0 2 c 0 3 为位移刚度系数，死新= 胁s o 2 j o c 0 2 为 电流冈度系数。 设转子的位移为x ，利用牛顿第二定律，可以得到单自由度轴承转子系统的 m _ x = k x + b 之一六 ( 2 6 ) 其中六为x 方向的干扰力。 2 1 3 三极电磁轴承的原理 由于八极结构的径向电磁轴承是一个分散的控制系统，需要两个控制器来实 现两个自由度的控制，另外需要专门开发开关功率放大器，成本比较高，电磁轴 承的磁滞损耗也比较高。正是由于这些缺点，我们想要实现两个自由度的集中控 制，并且希望使用标准化的拓扑结构来做为功率放大器驱动电磁轴承的线圈工 作，由此提出的逆变器供电式的三极电磁轴承能够克服八极结构的径向电磁轴承 所固有的缺点，实现集中控制和驱动电路拓扑的标准化。由于是使用三相逆变器 供电，因此大量的三相功率变换器均适用。 1 4 浙江大学硕士学位论文 三极电磁轴承本体的结构如图2 3 所示 图2 3 三极电磁轴承本体结构 由三极电磁轴承的结构我们可以看出三个磁极产生的电磁力可以变换为x 和y 方向上的电磁力，因此可以使转子悬浮于平衡位置，当转子在径向上有位移 时可以通过改变磁极中的电流大小来施加电磁力使转子回到平衡位置。 三极电磁轴承主电路的拓扑结构如图2 4 所示。 一 厂 ji】i昌五 谂 s if ，蕊j f 缎擘 _ _i 【鬯 i 。 j 三j l仁 l 。o 、一一 图2 4 逆变器供电式三极电磁轴承主电路拓扑 由图可见该种电磁轴承的主电路拓扑与我们常见的通用变频器的拓扑结构 相同，与常见的电机拖动系统有很多相似之处，因此这种电磁轴承通用性很强， 因此经济性也更好。相比于八极径向电磁轴承的控制需要8 个功率开关管，逆变 器供电的三极电磁轴承只需要6 个功率开关管就可以实现两个自由度的控制。同 时由于磁极数少，磁滞损耗也更低。 2 2 三极电磁轴承的磁悬浮力模型 为简化分析，在用等效磁路法做理论分析时作了如下假设： ( 1 ) 不考虑铁磁材料的饱和，铁心磁通处于不饱和的线性区，忽略铁 1 5 浙江大学硕士学位论文 心饱和产生的非线性效应； ( 2 ) 与气隙相比铁磁材料的磁阻可以忽略不计，即磁动势都降落在气 隙上； ( 3 ) 磁通仅在磁极和气隙的横截面中通过，忽略磁极外的漏磁通。 在用等效磁路分析法分析磁路前，设定磁路的物理量的正方向如图2 j 所 示。图中各量 表示磁动势，如代表气隙的磁阻，代表磁通。 其中： 如= 鳓言 ( 2 - 7 ) 风为空气的磁导率，万为气隙长度，彳为磁极下气隙的等效面积。 t 0 3 r m 3 审3 基于磁路基尔霍夫第一和第二定律，可得： 破：! 2 生塑! 二墨垒2 = 生2 鱼 ” 如l b 2 + 心2 心3 + 心l 心3 ：胁爿垒垫! 竺! = 垒竺2 二垒竺 反皖+ 疋暖+ 反疋 同理可得： 欢训羚著斧 绝唰薯羚辫产 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一l o ) 式中a 为磁极的等效面积，肋是气隙的磁导率，o l ， 2 ， 3 是各极的磁动势。 当电磁轴承转子偏心时，气隙长度可以表示为： 1 6 矿t 一 蒜 浙江大学硕士学位论文 硼m ( 卜等c o s 弘等渤 m 上式中各个物理量的参考方向绘于图2 6 中。由于三个磁极的中心位置分别 位于石2 ，7 石6 ，1 1 疗6 ，面是未偏心时的平均气隙长度，缸和母是在x 和y 方向上的偏心距离。因此可得三个磁极下的平均气隙长度为： 西= 民一每 ( 2 一1 2 ) 岛= 瓯+ 粤缸+ 告知 ( 2 _ 1 3 ) 岛= 磊一孚血畦缈 ( 2 - 1 4 ) 图2 6 气隙偏心 为了得到x 和y 方向的电磁力的表达式，须将各个磁极下的电磁力投影到x 和y 轴上，各个物理量的参考方向如图2 7 所示。 图2 7 各个物理量的参考坐标 根据麦克斯韦张量法，每个磁极下转子表面受到的磁悬浮力表达式为 1 7 浙江大学硕士学位论文 f ：二 ( 2 1 5 ) 2 风4 4 n 因此x 和y 方向上的磁悬浮力表达式为： c = 譬( e 嘲= 南( 轷纳 ( 2 - 1