多電航空發(fā)動機動力磁浮軸承的設計與分析

許多現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，如航空航天、高速床、渦旋轉(zhuǎn)軸、離心分離、壓縮機和渦旋軸的儲油能力有限。磁浮軸承技術(shù)具有無接觸、易于實現(xiàn)主動控制,且不需要專門的氣壓及液壓系統(tǒng)等優(yōu)點,已成為機電領(lǐng)域中的重要研究方向之一多電發(fā)動機是一種采用磁懸浮技術(shù)的新型發(fā)動機,其取消了傳統(tǒng)的密封系統(tǒng)和滑油潤滑,利用電氣化傳動附件代替機械液壓式傳動附件,實現(xiàn)發(fā)動機電氣化傳動,簡化了渦扇式發(fā)動機的傳動裝置及啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu),最終達到減少故障、提高可靠性及發(fā)動機推重比的目標傳統(tǒng)的動力磁浮軸承或無軸承電動機的懸浮力與轉(zhuǎn)矩之間存在相互耦合,為了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩控制和懸浮控制,相應控制算法非常復雜1運行引擎1.1電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁力新型雙定子極12/8動力磁浮軸承的結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中給出的是在一個三相系統(tǒng)中只有定子A相繞組導通的情況。電動機由2種定子組成,外定子用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,為轉(zhuǎn)矩極定子;內(nèi)定子用來產(chǎn)生懸浮力,為懸浮力極定子。轉(zhuǎn)矩繞組A由轉(zhuǎn)矩極A當轉(zhuǎn)子在x軸正方向發(fā)生偏移時,電流i磁力線分布圖如圖2所示。當懸浮繞組通電后,沿x軸正方向及y軸負方向的磁通增加,從而分別產(chǎn)生沿x軸負方向及y軸正方向的懸浮力,懸浮繞組產(chǎn)生的磁場可以控制轉(zhuǎn)子的懸浮。1.2控制方案設計動力磁浮軸承的懸浮力及轉(zhuǎn)矩可以表示為式中:T為轉(zhuǎn)矩;i動力磁浮軸承控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。由電渦流位移傳感器對轉(zhuǎn)子的偏心位移進行檢測,將轉(zhuǎn)子偏心位移信號反饋到懸浮控制輸入端,通過2個相互獨立的閉環(huán)位移控制器實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。PI控制器用來調(diào)節(jié)該動力磁浮軸承的轉(zhuǎn)速,根據(jù)開關(guān)信號計算PWM的占空比實現(xiàn)對電動機的調(diào)速控制。圖中,θ為轉(zhuǎn)子位置角;ω通過不對稱功率變換器,采用磁滯控制方法對懸浮繞組電流進行控制。動力磁浮軸承的繞組開關(guān)狀態(tài)見表1,狀態(tài)1為變換器供電模式;狀態(tài)0為續(xù)流模式;狀態(tài)-1為變換器回饋模式。2懸浮力控制電流采用有限元法對動力磁浮軸承進行分析,產(chǎn)生的懸浮力如圖4所示。由圖可知,系統(tǒng)的懸浮力非常平穩(wěn),在給定電流的情況下,懸浮力幾乎不隨轉(zhuǎn)子位置角的變化而發(fā)生改變,故能夠使用更簡便的算法和更小的電流來控制懸浮力。轉(zhuǎn)矩電流保持為2A,改變懸浮繞組控制電流,動力磁浮軸承的輸出轉(zhuǎn)矩如圖5所示。由圖可知,不同懸浮繞組電流下,輸出轉(zhuǎn)矩并不隨軸承的懸浮位移發(fā)生改變,因此軸承的轉(zhuǎn)矩不受懸浮力控制的影響。懸浮電流保持為2A,改變轉(zhuǎn)矩繞組電流,動力磁浮軸承的懸浮力如圖6所示。由圖可知,不同轉(zhuǎn)矩繞組電流下,懸浮力幾乎不隨軸承的懸浮位移發(fā)生改變,證明懸浮力不受轉(zhuǎn)矩電流的影響,因此該動力磁浮軸承的懸浮力和轉(zhuǎn)矩可以分別進行獨立控制。3懸浮力的起浮試驗及轉(zhuǎn)速控制以動力磁浮軸承、DSP2812、不對稱功率變換器、編碼器以及位移傳感器為核心,搭建了試驗平臺(圖7),傳感器和編碼器分別檢測轉(zhuǎn)子位移和轉(zhuǎn)速信號,反饋到DSP再由其產(chǎn)生控制信號,驅(qū)動不對稱功率變換器實現(xiàn)對軸承的控制。轉(zhuǎn)子保持不轉(zhuǎn)且在懸浮端可以自由移動,在轉(zhuǎn)子x,y軸上同時施加10N的懸浮力,在2.5s時懸浮,通過改變懸浮繞組電流對懸浮位置進行調(diào)節(jié),靜態(tài)時起浮試驗結(jié)果如圖8所示,由圖可知,轉(zhuǎn)子可以快速運行在平衡位置,完成起浮過程。起浮后保持轉(zhuǎn)速1000r/min,x,y軸的載荷從10N減小到0N,懸浮力突變時的試驗結(jié)果如圖9所示。由圖可知,懸浮繞組電流隨著懸浮力的突變而減小,保證轉(zhuǎn)子在平衡位置的穩(wěn)定運行。轉(zhuǎn)子靜態(tài)起浮后,轉(zhuǎn)矩繞組電流導通,轉(zhuǎn)子無偏心位移且懸浮在平衡位置,以1000r/min的速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。5s時使轉(zhuǎn)子從1000~2000r/min加速運行,試驗結(jié)果如圖10所示。由圖可知,當轉(zhuǎn)速增大時,轉(zhuǎn)矩電流迅速增加,以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),此時轉(zhuǎn)子仍然在平衡位置保持穩(wěn)定懸浮,并且過渡過程中轉(zhuǎn)子偏心誤差很小,軸承可以穩(wěn)定運行。此外,當轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,懸浮繞組電流和轉(zhuǎn)子懸浮位置均不變,說明轉(zhuǎn)矩電流對懸浮力不產(chǎn)生影響,該動力磁浮軸承的懸浮控制和轉(zhuǎn)矩控制可以實現(xiàn)獨立解耦。4簡化控制算法針對多電航空發(fā)動機研制了一種12/8雙定子動力磁浮軸承。通過有限元分析可知,該動力磁浮軸承可以產(chǎn)生相互獨立可控的轉(zhuǎn)矩和懸浮力,同時懸浮力不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而發(fā)生改變,可以簡