交流圆弧磁悬浮感应电机机制研究-论文.pdf

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1、第29卷第1期徐州工程学院学报(自然科学版)2014年3月VoI．29No．1JournalofXuzhouInstituteofTechnology(NaturalSciencesEdition)Mar．2O14交流圆弧磁悬浮感应电机机制研究曾励，徐正杰(扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127)摘要：磁悬浮(无轴承)电机利用磁场力使转子悬浮并驱动其实现高速或超高速旋转．基于传统电机技术提出一种交流圆弧电机原理，并按电磁轴承悬浮技术，水平方向对称于转子布置2个圆弧电机，垂直方向对称于转子布置2个圆弧电机，构成交流磁悬浮感应电机；建立电机

2、在干扰作用下转子与定子间的间隙(气隙长度)变化规律，基于电磁理论建立了气隙磁感应强度的分布规律，利用虚位移原理建立电机电磁悬浮力和电磁转矩数学模型；通过有限元分析对磁感应强度、电磁悬浮力和电磁转矩等分布特性进行了仿真研究．关键词：交流圆弧电机；磁感应强度；悬浮力特性；电磁转矩特性中图分类号：TM346；O441．3文献标志码：A文章编号：1674—358X(2014)01—0025—06磁悬浮电机将电磁轴承中产生径向力的绕组叠压到电机定子绕组上，使气隙中产生2种不同极对数的旋转磁场，从而同时产生转矩和悬浮力，以实现电机的驱动与转子的自悬浮l

3、_1j．磁悬浮电机定子有双绕组和单绕组2种结构．目前绝大部分磁悬浮电机定子为双绕组结构，即在定子中嵌入极对数相差为1的2套绕组(转矩绕组和悬浮绕组)，2台逆变器分别给这2套绕组通人相同频率的电流以实现电机的驱动与转子的悬浮[1]，但这类电机结构承载能力小且控制系统复杂．为此，提出一种基于4段圆弧电机定子支承和驱动的交流圆弧磁悬浮感应新型电机．新型磁悬浮电机绕组结构与传统电机的定子绕组结构相同，它是通过改变圆弧电机定子绕组产生磁场的平衡，产生悬浮力来实现转子自悬浮．与普通的双绕组磁悬浮电机相比，交流圆弧磁悬浮感应电机结构简单，电机功率损耗小[

4、3]．本文针对交流圆弧磁悬浮感应电机研究其旋转和悬浮机制，建立了电机系统的数学模型，通过有限元方法分析了电机的悬浮和旋转特性．1交流圆弧磁悬浮感应电机的原理交流圆弧磁悬浮感应电机由4个三相交流圆弧电机共同支承转子悬浮并驱动其旋转．圆弧电机是基于传统电机技术，在开口的圆弧定子上绕制线圈绕组并通电使转子旋转的电机．圆弧电机与传统电机类似，有3相电机、2相电机或单相电机等交流(同步或异步)电机，也有直流电机、步进(或磁阻)电机等．相交流圆弧电机定子绕组产生旋转磁场，切割转子闭环绕组并在绕组中产生感应电流及电势，以实现转子旋转．交流圆弧磁悬浮感应电

5、机由定子、转子以及悬浮／旋转检测控制系统等组成．电机基于电磁轴承悬浮技术，在传统电机定子铁芯上，水平方向对称于转子绕制2个交流3相圆弧电机绕组、垂直方向对称于转子绕制2个交流3相圆弧电机绕组，在综合检测控制系统作用下，差动调节同一方向转子两侧的圆弧电机的电流增量大小，以改变2圆弧电机对转子的磁拉力大小，使转子始终工作在该方向2圆弧电机的中心平衡位置．图1所示为各套3相绕组Y型接法并在某时刻通电状态．4段圆弧电机定子绕组分别对称布置于z轴方向2段圆弧和Y轴方向2段圆弧．对4段圆弧电机的3相定子绕组并联接入3相交流电流i。、i。、i。，分别闭环

6、控制通人各段圆弧电机定子绕组的电流幅值大小，就可实现对转子的电磁磁拉力的调节，产生可控的电磁悬浮力．其转子悬浮工作原理与传统的电磁轴承机制相同_4]，在干扰作用下，转子沿的正(右)方向偏移△，为了使转子恢复到定子中心(平衡位置)工作，则在闭环控制系统作用下，转子左边圆弧电机定子绕组的电流增加△h(是一1，2，3)，变为i垃一i+Aih(是===1，2，3)，转子右边圆弧电机定子绕组的电流减小△h(一1，2，收稿日期：2013—12—25基金项目：国家自然科学基金项目(51375427)；江苏省自然科学基金项目(BK2O131232)；扬州市

7、一校合作项目(YZ201l152)作者简介：曾励(1957一)，男，四川威远人，教授，博士，硕士生导师，主要从事磁悬浮及控制、无轴承电动机、抽油机螺杆泵技术等研究．·25徐州工程学院学报(自然科学版)2014年第1期3)，变为hi一△h(七一1，2，3)，在2个圆弧电机绕组产生电磁磁拉力的差动作用下，使转子恢复到定子中心平衡位置，同理可以分析转子在Y方向的悬浮工作原理．圆弧电机定子绕组对称布置于转子的周边，并联接人的同一3相交流电源，4段圆弧电机定子绕组在同频率3相交流电作用下，产生的合成旋转磁场，使转子稳定悬浮后共同驱动转子旋转，图2为4

8、段圆弧电机绕组产生的4极合成旋转磁通图．图1交流圆弧磁悬浮感应电动机绕组通电原理图图2定子转子结构一2交流圆弧磁悬浮感应电机的悬浮和旋转模型2．1电机定、转子间气隙长度变化规律如