磁悬浮电机发展趋势

磁悬浮电机发展趋势（精选3篇）

磁悬浮电机发展趋势 篇1

关于磁悬浮电机的应用现状与发展趋势

李宇佳

（北京交通大学，北京，100000)摘要：本文概述了磁悬浮电机的原理及优点，重点介绍了磁悬浮风力发电机的结构和工作原理。并简述了磁悬浮电机当前的应用领域。最后本文展望了磁悬浮电机未来的发展方向。

关键词：磁悬浮电机；风力发电机

Developing Trends of Magnetically Levitated Electric Machines and Their Applications

Li Yujia(Beijingjiaotong University,Beijing,100000)Abstract：In this paper, the principle and advantages of the agnetically Levitated Electric Machines are summarized.The structure and working principle of the magnetic levitation wind generator are introduced.The current application field of agnetically Levitated Electric Machines is briefly introduced.Finally, the future development direction of tagnetically Levitated Electric Machines is prospected.Key word:lagnetically Levitated Electric;Machines wind power generator 引言

传统的a电机是由定子和动子组成，定子与动子之间通过机械轴承联接或存在机械接触，因此动子运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加动子的摩擦阻力，使运动部件磨损，产生机械振动和噪声，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机是利用定子和动子励磁磁场之间“同性相斥，异性相吸”的原理使动子悬浮起来，同时产生推进力驱使动子在悬浮状态下运动。因此，定子与动子之间不存在任何机械接触，可以产生较高的加速度和减速度，机械磨损小，机械与电气保护容易，维护、检修和更换方便，适用于恶劣环境、极其洁净无污染环境和特殊需要的领域。磁悬浮电机的研究越来越受到科技工作者的重视，其发展前景令人鼓舞。

和机械摩擦的不足，目前已研制出各种无接触式磁轴承，用来取代机械轴承。典型的磁悬浮轴承如径向磁轴承、径向推力磁轴承和轴向磁悬浮轴承，以及径向自由度可控的电磁悬浮轴承。

2.1 径向磁悬浮轴承

径向磁悬浮轴承是由两个径向磁化同轴空心圆柱组成，磁化方向相反。当两个磁化圆柱轴向重合、径向同心时，圆柱所受径向磁场推力为零。而当两个磁化圆柱发生轴线偏移时，由于圆柱之间气隙磁场极性相同产生不平衡排斥力使圆柱轴线趋于一致。这种径向磁轴承虽然能做到径向自动稳定，但磁轴承轴向不稳定，而且当轴线偏转时，角向稳定性也不好，因此用途有限。

2.2 径向推力磁悬浮轴承

径向推力磁悬浮轴承通常采用两个轴向磁化，而磁化方向相反(也可采用一个轴向磁化，而另一个径向磁化的同轴空心圆柱，但轴向错开一定位置，不仅能保持径向稳定性，而且提高了轴向和角向稳定性。2 磁悬浮轴承电机

为了克服传统旋转电机存在机械轴承

2.3 电磁悬浮轴承

这种多自由度电磁力控制的磁悬浮轴承，转轴两端均有水平方向和垂直方向两个自由度电磁力控制系统，而轴向通过驱动部分控制。当转轴在水平方向或垂直方向发生偏离时，分别控制水平或垂直方向的差动励磁线圈电流，由于电磁力大小与励磁线圈和气隙大小有关，因此可以通过改变电磁力使转轴趋于平衡位置。这种磁轴承虽然转子转动惯量不大，但由于控制线圈产生磁场使转轴受到一个与转向相反的电磁转矩，而且该电磁转矩随着转速增大而增大，因此对驱动系统转矩要求比较高，仅适用于低速大转矩的领域应用。磁悬浮轴承电机要解决的主要问题是轴承的支撑力，而驱动力仍然依靠电机本身来解决。因此，磁悬浮轴承电机虽然可以做到悬浮与驱动独立控制，但系统结构尺寸比较庞大，转动惯量大，系统动态响应比较缓慢，易于引起系统振荡甚至不稳定运行。磁悬浮电机的应用

3.1 在风力发电机中的应用

（1）工作原理

直驱式磁悬浮风力发电机，其风轮和发电机直接耦合，结构与传统风力发电机结构相似，例如，可以把原来的机械轴承全部换成主动磁悬浮轴承，径向有前后两个径向磁轴承支承，轴向采用轴向推力磁轴承支承。如图1所示，一种水平轴磁悬浮风力发电机是由风轮叶片、发电机结构、保护轴承、主动磁悬浮轴承等构成的。考虑到轴向推力盘重量比较大，因此将其放在靠近中间的位置，保护轴承位于发电机转轴两侧的最外端。图1 磁悬浮风力发电机机构示意图 磁悬浮风力发电机是一种风－机－电能量转换装置，其工作原理:发电机转子稳定悬浮于空间，通过风带动叶片转动，并传递到整个风力发电机的转轴，由发电机完成

机械能向电能的转换，最后，利用电力电子变换器将其转换成负载所需的电能。

（2）关键技术分析 对于风力发电机而言，降低其起动风速，提高风力发电质量是关键技术。要达到这两个要求，需要解决的关键问题有:风轮叶片技术、磁悬浮支承技术、发电机技术和储能技术，下面围绕磁悬浮风力发电机的四点关键技术进行分析。

由流体力学可知，风能计算表达式:

T12Sv3(1)式中:ρ是空气密度；S是叶片扫风面积；ν是风速。由贝茨理论可以得到叶片上所能获得的最大功率:

PmaxCPT(2)

式中:Cp是贝茨功率系数，Cp=0．593。由式(1)和式(2)可见，为提高风能向机械能的转换效率，可以通过增加叶片的扫风面积和叶片优化设计来实现。这需解决3个问题:①提高叶尖速比；②叶片材料的选择；③叶片结构的设计。

a 叶尖速比是用来表述风电机特性的一个重

要的参数，用λ来表示:

V2Rnv60v(3)

式中:V是叶片尖端线速度；ν是风速；n是风轮转速；Ｒ是风轮转动半径。由式(3)可知，同风速下的叶尖速比越大，叶片转速越快。现代的风力发电机常用的是2枚到3枚叶片，理想情况下，由风机叶片数与λ的匹配关系知，λ在5～8的范围变化。

b 根据风轮叶片材料的发展史，叶片可以分为木制叶片、铝合金等弦长叶片、钢制叶片、玻璃钢叶片。由于木制叶片不易制造成扭曲状，且存在木材强度低等诸多问题，限制了其在风力发电机中的应用和发展。为满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，随后，出现了钢梁玻璃纤维、铝合金和玻璃钢制成的叶片。在选择叶片材料时，通常选用叶片强度、刚度满足要求，又具备较好的气动性

能的玻璃钢复合材料。因此，材料的选择将直接影响着风轮叶片捕获风能的能力。

c 叶片结构设计主要包括剖面结构设计、铺层设计和根端设计三个方面的内容。当采用玻璃钢材料来制造风轮叶片时，材料的强度、弹性模量的差异以及工艺的多样性是重要的注意事项。例如，和空腹金属材料的叶片相比较，虽然玻璃钢材料的弹性模量较低，但其强度比金属材料高，完全可以在不改变外形尺寸的情况下，代替金属材料。但是，玻璃钢材料的叶片却难以达到金属材料同等的刚度，而此时，盲目地增加叶片厚度，必然会影响到叶片的气动性能。综上所述，选用玻璃钢材料制作叶片时，总是希望制作较厚的叶型，并采用空腹的结构。

铺层设计主要是确定纤维量和纤维方向。合理地安排铺层的方向、角度和比例，可以保证叶片气动载荷和所受离心力的满足要求；根端设计主要考虑到叶根是叶片和轮毂的紧密连接处，并且叶片的断裂也往往发生在叶根上。叶根根据各叶片的使用情况、风力机结构、尺寸及功率来设计，其安全系数要比叶片本身要大一些，一般大1．5～2倍。此外，可以借助三维建模软件Pro/E对叶片进行三维实体建模，并利用Ansys仿真软件对叶片进行动力学分析。

3.2 在空调中的应用

随着科技的不断进步与发展，磁悬浮轴承性能在不断地提升，同时受电子元件的集成化也促使其成本逐年降低。虽然国内外经过多年的探索，磁悬浮产品在不少领域成功地应用，但是该项技术领域仍然存在很多难题，如控制系统的优化设计以及材料转子轴系动力特性问题等。为了更有效地改进控制方法和策略需要在深人研究控制系统的同时，着重研究转子系统的动力学特性，从而达到对复杂转子的理想控制。

目前空调风机多采用机械轴承，风机主轴与轴承之间会产生机械摩擦，而电机必需克服这部分摩擦才能驱动风叶旋转，同时造成电机发热产生较大幅度的振动使得风机寿命降低。要想实现风机长时间的运行还需轴承润滑系统和冷却系统的改进。如果采用磁悬浮轴承，定、转子之间没有机械摩擦，磁悬浮轴承运转阻力为零不会发热，从而省去了冷却系统和润滑系统，减少了体积重量，提高了可靠性和寿命悬浮运转大大减少了机械噪声，同时也大大减少了机械振动，振动幅度远远小于普通风机，提高了整个空调稳定性。

从目前内的磁悬浮轴承技术水平来看，虽然已经具备了应用在常温设备上的条件，但是仍然存在两方面的问题：一方面由于较难实现磁悬浮轴承转子的高精度控制，因而造成系统可靠性差以及故障率高；另一方面，欠缺标准化的产品工艺。磁悬浮电机的应用领域

4.1 电子工业

超大规模集成电路的发展要求半导体硅片在超真空、无杂质密封室内加工，对传送硅片的机器人具有苛刻的要求:既不能用润滑油，也不能产生尘粒和气体，因此采用磁悬浮电机直接控制机器人及其操纵手臂成为理想的选择。另外在集成电路制版过程中磁悬浮将会取代气垫悬浮芯片布焊。

4.2 化工领域

环境污染严重的放射性环境或高温辐射环境，如用磁悬浮轴承驱动调速离心泵进行核废料处理，可以解决机械轴承磨损与定期维修的难题。

4.3 柔性制造、加工和传送系统

工件的悬浮保持与传送。如基于同高速通讯网络互联的分布式磁悬浮直线感应电机群、各种功率转换和控制器组成的高速、高加减速度材料运输系统。基于磁悬浮技术的石油和煤炭输送系统，可以减小原油与输油管之间的接触粘滞力，极大地提高输油速度，在多山地区，磁悬浮煤炭输送系统不仅解决铁路运输的难题，而且适用于爬坡和全天候工作。

4.4 轨道交通

超导磁悬浮机车能实现超高速、大容量平稳安全运输，极大地提高运输效率，高温超导磁悬浮机车是未来列车发展的趋势。

4.5 生命科学领域

心脏是人生命中的永动机，一旦发生故障难以修复。利用人工心脏部分或全部替代心脏功能成为心脏病患者生命延续的关键。过去利用机械轴承人工心脏血泵会产生摩擦和发热，使血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命。现在国外研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵，采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高，而且可以防止血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅为解除心血管病患者的疾苦，提高患者生活质量，而且为人类延续生命具有深远意义。磁悬浮电机的发展趋势

5.1 新材料应用

(1)稀土永磁材料，如钕铁硼NdFeB，具有磁能积高和功耗低的特点，而且我国稀土蕴藏量丰富，开发研究潜力巨大。

(2)高温超导材料，如YBaCuO，利用超导材料的抗磁特性或磁链守恒特性产生巨大的电磁力，可以预见高温超导材料在磁悬浮控制中将得到广泛应用，如超导磁轴承用于电力系统大惯量飞轮储能，直线电机超导磁场梯度悬浮推进系统。

(3)稀土高温超导REBa2Cu3O7-x和光稀土高温超导LREBa2Cu3O7-x在77K温度下具有极高的电流密度，可以产生极强的磁场，这些新材料的研制成功将为高速磁悬浮机车的应用提供又一新的设计方案。

5.2 新技术应用

超声波传感技术和激光传感技术在高速磁悬浮运动定位控制中的应用，提高了定位速度和精度；可编程逻辑控制技术在复杂磁悬浮系统中实现自动时序控制；高性能逆变器设计和智能化非线性电机控制技术应用；利用以计算机技术和网络通信技术为基础的全球定位系统GPS为磁悬浮系统提供快捷的宏观监测、控制和服务。

5.3新领域应用

磁悬浮电机不仅在电气等工业领域得到广泛应用，而且在生命科学领域也开始得到应用，充分显示了磁悬浮电机在国民经济发展和人们生活质量提高。总结

本文介绍了磁悬浮电机，具有无摩擦和

磨损，无润滑油污染，寿命长等一系列优点。随着市场需求的改变以及用户体验的认可，未来磁浮轴承被应用的数量将会不断的增长以及型号也会不断的改变，由此也可以推测出磁悬浮轴承未来可能的发展趋势：可靠、易用、价廉标准化。

参考文献：

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Rotating Machines [J]IEEE ANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS.2011

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磁悬浮电机发展趋势 篇2

凸极转子无轴承(磁悬浮)电机的研制成功是高速电机设计理念的革命性变化,是电气传动领域内一项重大突破,目前国内外正继续对其作全面深入的研究[1,2,3,4]。无轴承同步磁阻电机除具备一般无轴承电机所共有的优点外,还因其转子省略了永磁体和励磁绕组,更加适合于高速及超高速应用领域,并同时具备普通同步磁阻电机的一系列优点和特性,在半导体加工、家用电器、高速机床、飞轮储能发电、航空航天及生物医学工程等电气传动领域极具应用价值[5,6,7]。目前,国内外对无轴承同步磁阻电机悬浮原理尚未进行详尽分析,没有考虑其中的洛伦兹力,本文首次分析该电机悬浮运行时转子所受的洛伦兹力,并综述该电机技术研究的发展方向。

1 转子磁悬浮原理

电机中存在着两种不同类型的电磁力:麦克斯韦力和洛伦兹力[8]。麦克斯韦力是磁路中不同磁导率介质边界上形成的磁张力;洛伦兹力是电机旋转磁场对定子中载流体作用产生的力,其方向为沿转子表面切线方向,电机的电磁转矩就是基于洛伦兹力作用而产生的。

本文以2极径向悬浮力绕组和4极转矩绕组为例,阐述电机麦克斯韦力产生原理,该原理可以从其等效的直流电机模型中得到解释,图1是其空载条件下原理示意图。电机具有4极转矩绕组Na和2极附加径向悬浮力绕组Ny。4极转矩绕组Na通以电流时产生4极转矩磁通ψa,2极径向力绕组Ny通以电流产生2极磁通ψy。图1中,转子气隙区域1,3处磁感应强度不均匀,其结果产生的麦克斯韦合力Fy指向y轴的正方向。事实上,无轴承同步磁阻电机中除麦克斯韦合力产生径向力悬浮力之外,径向悬浮力绕组中的载流体因受到转矩绕组磁场作用而产生的洛伦兹力也构成径向悬浮力的一部分,但受两套绕组极对数关系的制约,这部分洛伦兹力并不产生电磁转矩。

图2中,由左手定则可判断电机产生沿y轴负方向的洛伦兹力FL,综合图1和图2,转子y轴方向所受径向悬浮力合力的大小为:F=Fy-FL,可见无轴承同步磁阻电机的径向悬浮力由麦克斯韦力和洛伦兹力共同构成。研究认为[9,10,11],当极对数满足p1=p2+1时,转子上的麦克斯韦力和洛伦兹力方向相反,转子所受径向悬浮力为F=Fy-FL;当极对数满足p1=p2-1时,转子上的麦克斯韦力与洛伦兹力方向相同,转子所受径向悬浮力为F=Fy+FL。因洛伦兹力所占比例很小,无轴承同步磁阻电机径向悬浮力主要由电机气隙磁场变化而产生的麦克斯韦合力构成。

2 发展趋势

无轴承同步磁阻电机经过十多年的发展,理论研究取得重大进展,但至今为止,仍有许多难题亟待解决,处于实验室阶段的初期研究成果距离大规模应用更是尚需时日,以下列出需作进一步研究的几个方面,为后续深入研究提供参考。

2.1 克服磁饱和因素的影响

对具有凸极转子的无轴承同步磁阻电机而言,因其磁场分布本身就不均匀,磁饱和程度就更为突出[12,13]。因此,必须充分考虑磁饱和因素对无轴承同步磁阻电机控制性能的影响。

无轴承同步磁阻电机产生的径向悬浮力和电机绕组电流的线性关系受磁饱和因素较大。当电机绕组中的电流达到一定值之后,径向力和流过径向力绕组中电流比值将不再成线性关系,反而随着径向力绕组电流的增加而下降。因此,按照线性关系设计的控制系统将不再适用,导致整个控制系统无法稳定工作,寻求能有效克服磁饱和影响的先进控制方法是一个重要的研究任务。

2.2 控制系统的优化设计

无轴承同步磁阻电机的控制技术是其研究中的重要内容,无轴承同步磁阻电机是一个复杂的、强耦合、非线性系统[14,15],采用近似线性的方法来处理这个非线性系统,必然使系统的控制精度受到影响。如能采用自适应控制、非线性控制、滑模变结构控制、H∞鲁棒控制和智能控制等新颖的控制策略和控制算法,用来实时跟踪调整控制器中随工况变化的参数以及电机本身的参数,必将使整个系统的控制性能得到进一步提高。

因此,无轴承同步磁阻电机控制系统的设计是其核心关键技术,决定了无轴承同步磁阻电机能否稳定可靠工作。尤其要考虑磁饱和因素时控制系统的优化设计,是无轴承同步磁阻电机研究中的难点,目前其控制问题仍没有得到很好的解决。

2.3 特殊的本体结构设计

无轴承同步磁阻电机的特殊性在于电机能产生电磁转矩外,还能产生径向悬浮力,因此所能产生的最大径向悬浮力便成为无轴承同步磁阻电机一项重要的性能指标。如果同时考虑电机所能产生的最大径向悬浮力、额定输出功率及额定转速作为电机设计的初始给定条件,以此确定电机的主要的尺寸、确定绕组相关技术数据,完成真正意义上的无轴承同步磁阻电机设计,这是一个艰巨而复杂的过程。

2.4 功率变换器的优化设计

目前,无轴承同步磁阻电机功率变换器大都采用电流滞环跟踪PWM控制技术,该方法具有实现简单,响应快速等优点。当电机运行于低速时,反电动势较小,电流控制器的跟踪没有任何困难,但当电机运行于高速时,由于较高的反电动势,在某些周期内电流控制器会出现饱和,便会出现一些基波频率倍数的谐波[16]。此时,实际反馈电流的幅值会减小,相位也会落后于指令电流,并且相位滞后随着频率的增高而增大,较大的相位误差会引起转矩控制性能下降,也严重影响着无轴承同步磁阻电机的稳定悬浮。因此,采用自适应滞环宽度调节或采用其他性能更优的PWM控制技术是无轴承同步磁阻电机功率变换电路优化设计的重要内容。

3 结束语

无轴承同步磁阻电机一方面具有同步磁阻电机一些特性如:结构简单、制造容易、成本较低、易于控制及运行可靠等;另一方面也兼备磁轴承支承的电机所有的优点:高速度、无摩擦、无磨损、无污染及寿命长等,但相比磁轴承支承的电机而言,拥有临界转速高、体积小、功率大、能耗低等诸多比较优势,使得它不仅在高速电力传动场合,而且在超洁净、低噪声等特殊的电气传动领域具有广泛的应用前景。

磁悬浮电机发展趋势 篇3

传统结构磁悬浮开关磁阻发电机( Bearingless Switched Reluctance Generators,BSRG)[1]的气隙磁场由载流悬浮绕组和励磁绕组共同产生,使得BSRG悬浮和发电系统间呈现高度的非线性和耦合性,导致建模及控制难度较大。文献[2,3]为避免电机内强耦合问题提出了一种混合定子型结构; 文献[4]在混合定子结构基础上通过增设发电绕组而提出了一种BSRG,开辟了混合定子BSRG的研究。然而该发电机采用8 /10 极结构,励磁磁路较长会引起较大的铁芯损耗,而且悬浮极与发电极共用定子轭部,悬浮力受发电极绕组电流变化的影响较大。为此,论文提出了一种12 /14 极短磁路BSRG,阐述了其运行机理,建立了数学模型,并利用有限元分析( FEM) 进行验证。

2 结构及运行原理

图1( a) 为8 /10 极BSRG,与传统的BSRG不同的是该发电机采用的是混合定子结构,定子上依次设有发电极和悬浮极,悬浮极定子齿宽为36°,是发电极定子齿宽的2 倍。该发电机采用的是长磁路,会引起较大的铁芯损耗。

图1( b) 为新型12 /14 极BSRG结构示意图,该发电机定转子采用的是双凸极结构,定子铁芯上依次间隔设置了悬浮极和发电极,悬浮极定子齿宽为25. 7°,发电极定子齿宽和转子极齿宽均为12. 85°。定子极x1、x2、y1、y2为悬浮极,分别位于x轴和y轴的正负方向,各绕有Nf匝悬浮绕组,由4 套功率变换电路独立控制,产生x、y方向上的径向力。定子极A1~ A4( A相) 和B1~ B4( B相) 为发电极,各同时叠绕Ns匝励磁绕组和Ng匝发电绕组,由2 个功率电路进行控制。

图1 中, 和 分别为x,y轴正负方向悬浮绕组的流入电流和流出电流; 和 分别为A相和B相励磁绕组的流入和流出电流; 和 分别为A相和B相发电绕组的流入和流出电流。

当电机转子在x负方向上有偏移时,只需要在x1极上通以电流ix1,其他的悬浮定子极无需通电,直到转子回到平衡位置。同理,转子在y负方向上有偏移时,只要在y1极上通以电流iy1。定子极x1,x2,y1和y2通以两极电流,可以合成所需的任何方向的径向悬浮力,从而满足电机转子的自悬浮。

励磁绕组电流可以为发电子系统提供励磁,在电机转子转动过程中,将会在发电绕组内产生感应电势。在励磁绕组完成励磁关断电流后,发电绕组进入续流发电阶段。通过控制A、B两相励磁绕组的轮流导通以及励磁电流的大小,即可在发电绕组内产生所需的发电电压,经整流、滤波和稳压后可以为负载连续供电。

由于悬浮定子极的齿宽等于转子的节距,是转子齿宽的两倍,所以在转子的旋转过程中,悬浮极和转子齿的对齐面积不变,且等于转子齿宽,这有利于产生径向力,且该径向力不跟随转子位置角变化。同时,悬浮极和转子齿的对齐面积不变,悬浮绕组的电感变化很小,因此由悬浮绕组产生的转矩可以忽略不计,对发电绕组的感应电势影响很小,即发电绕组和悬浮力绕组间耦合很小,大大简化了控制方法。这也是相对于传统BSRG,新型结构电机的最大优点。

3 数学模型

3. 1 悬浮子系统数学模型

根据等效磁路和虚位移法[5,6]可以推导出转子受到x方向的悬浮力Fx为:

式中

3. 2 发电子系统数学模型

以A相励磁为例,设励磁绕组端电压为Usa,电阻为Rsa,发电绕组端电压为Uga,电阻为Rga,则根据电磁感应定律和基尔霍夫第二定律[7],有

由于 不好直接测得,借助FEM先求得其绕组磁链与转子位置角θ和励磁电流isa的关系。以表1参数建立该发电机Maxwell 2D模型,给A相励磁绕组施加励磁电流isa=1,2,…,11A,转速为15000r/min,进行瞬态分析,记录转子位置θ=0°,0.9°,1.8°,…,27°处的磁链值。图2(a)、图2(b)分别为励磁绕组磁链ψsa和发电绕组磁链ψga关于转子位置角θ和励磁电流isa的特性曲线。

FEM先求得其绕组磁链与转子位置角 θ 和励磁电流isa的关系。以表1 参数建立该发电机Maxwell 2D模型,给A相励磁绕组施加励磁电流isa= 1,2,…,11A,转速为15000r / min,进行瞬态分析,记录转子位置 θ = 0°,0. 9°,1. 8°,…,27° 处的磁链值。图2( a) 、图2( b) 分别为励磁绕组磁链 ψsa和发电绕组磁链 ψga关于转子位置角 θ 和励磁电流isa的特性曲线。

由图2( a) 可以看出,θ 和isa对 ψsa均有影响,随着isa的增大和转子齿与发电机A极逐渐对齐,ψsa将由线性进入非线性区间。由图2( b) 可以看出,ψga同时受 θ 和isa的影响,增大励磁电流或者转子齿偏离发电极时,ψga也将由线性特性转变为非线性区间特性。发电绕组磁链 ψga随转子位置角的变化而变化,在转子与发电极定子齿不对齐处,磁链变化明显,没有平坦区域,即说明在此期间发电绕组一直有感应电压产生。

由图2( a) 、图2( b) 可以看出,绕组磁链与励磁电流和转子角位置呈复杂的非线性关系,很难建立精确的数学模型,考虑到其计算复杂且精确度难以保证,采用分段线性化方法将绕组磁链曲线 ψsa-isa,ψsa- θ,ψga- isa,ψga- θ 分别进行线性化: ψsa=λκsaisa+ ψκsa,ψsa= λεsaisa+ ψεsa,ψga= λκgaisa+ ψκga,ψga= λεgaisa+ ψεga,ε,κ = 1,2,…,7。系数 λκsa,ψksa,λεsa,ψεsa,λκga,ψkga,λεga,ψεga可根据有限元分析结果,应用最小二乘法算法进行拟合。

4 有限元分析及验证

为验证数学模型的准确性,在Maxwell 2D下对该新型发电机模型进行静磁场分析,在转子与A相对齐时,即转子位置角为 θ = 0°处,施加iy1= 0 ~ 2A,得到y方向的悬浮力Fy的有限元及公式计算结果如图3( a) 所示。由于建立数学模型时忽略了磁饱和及边缘磁通的影响,计算结果与有限元结果有偏差,对公式乘以系数加以修正,用二分法求得k =25 /32。分别施加iy1= 1A和iy1= 2A,得到y方向上的悬浮力关于转子位置角的变化曲线如图3( b) 所示。由图3( a)可以看出,对于某一个固定的转子位置,在相对应的悬浮绕组电流增加的过程中,悬浮力与电流呈平方关系,乘系数k后能较好地吻合。由图3( b) 可以看出,当悬浮绕组电流恒定时,悬浮力计算公式结果恒定,有限元分析结果波动也很小,两者能较好地吻合,且悬浮力不随转子位置角变化而变化。

进入瞬态分析,设定转速n = 15000r/min,isa=10A时,发电机绕组感应电压Uga的有限元分析及公式计算结果如图3( c) 所示。可从图3( c) 中看出,分段线性化的发电数学模型和有限元分析的发电电压值相符合,验证了所建发电模型的有效性和正确性。

5 磁场特性分析

本文在Ansoft/Maxwell 2D下建立了12 /14 极短磁路BSRG模型和8 /10 极BSRG模型,主要参数如表1 所示。定义转子角位置为 θ,转子齿与A相发电机对齐时为0°,转速为n,两者均以逆时针方向为正。

图4( a) 、4( b) 分别为8 /10,12 /14 极发电机在仅通励磁绕组电流时的磁路图,从图4 中可以看出8 /10 的发电机定子铁芯有磁通逆转且磁路为长磁路,而12 /14 发电机为短磁路,且定子铁芯中没有磁通流过。

为研究新型BSRG各绕组之间的关系,利用有限元模型进行静磁场分析。给两种发电机的y1极悬浮绕组施加2A的电流,给A极励磁绕组加不同的电流: 0 ~ 4A,得到的y1极电感的变化如图5( a) 、5( b) 所示; 给两种发电机的A极励磁绕组施加2A的电流,给y1极悬浮绕组加不同的电流: 0 ~ 4A,得到的A极电感的变化如图6( a) 、6( b) 所示。由图5可以看出,相比于8 /10 模型,12 /14 模型的励磁绕组电流变化对悬浮绕组电感的影响较小,波动也小。这是由于短磁路只穿过桥接两磁极的定子轭部,而不是共有的整个轭部; 而8 /10 的极弧长度相对于12 /14 的稍大,故它的悬浮绕组的电感也稍大些。由图6 可以看出,给悬浮绕组通不同电流,对两种模型的励磁绕组电感都没有影响,但是12 /14 模型的电感比8 /10 模型的要大得多,这与其极弧大小和磁路有关。

进一步研究悬浮绕组与发电绕组之间的电磁耦合关系,进行有限元瞬态分析,转子初始位置角 θ0= 0°,转速为15000r / min,给两种发电机的A相励磁绕组加电流isa= 10A,给y1极悬浮绕组加不同的电流iy1= 0 ~ 5A,记录发电绕组的感应电压Uga,其变化曲线如图7 所示。从图7 中可以看出,12 /14模型的悬浮绕组电流变化对发电绕组的感应电压影响很小; 而8 /10 模型下则会有较大的波动,曲线没有12 /14 模型的平滑。由于极弧大小的影响,8 /10模型的感应电压较12 /14 模型的要大。

6 结论