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五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)由一個(gè)三自由度徑向-軸向磁軸承和一個(gè)二自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)組成，結(jié)構(gòu)如圖所示，下面對(duì)其結(jié)構(gòu)與有限元分析作介紹。
磁懸浮軸承(簡(jiǎn)稱磁軸承)按照磁力的方式，分為主動(dòng)磁軸承、被動(dòng)磁軸承和混合磁軸承(永磁偏置)三種。混合磁軸承的原理是用永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)取代主動(dòng)磁軸承中電磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，能大大降低功率放大器的功耗，使電磁鐵的匝數(shù)大大減少，縮小磁軸承體積，從而能夠提高軸承承載能力。統(tǒng)直流偏置型徑向磁軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但功率損耗大，傳統(tǒng)永磁偏置型徑向磁軸承雖功耗有所降低，但結(jié)構(gòu)又較復(fù)雜。本研究采用的磁軸承為一種較為新型的三極交直流混合磁軸承三相徑向混合磁軸承。它綜合了傳統(tǒng)永磁偏置型徑向磁軸承與直流偏置型徑向磁軸承的優(yōu)點(diǎn)，采用永磁體代替偏置直流來提供偏置磁通，以提供靜態(tài)懸浮力，減小了功率損耗，大大縮小了電磁鐵體積及繞線空間。
二自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)不需要用傳統(tǒng)的軸承來支承轉(zhuǎn)子，而是通過在原有的定子繞組上附加一套產(chǎn)生徑向力的徑向力繞組產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。由于每個(gè)定子上存在兩套繞組，使得開關(guān)磁阻電機(jī)的磁場(chǎng)變得較為復(fù)雜。目前，大多數(shù)關(guān)于磁懸浮電機(jī)的研究都是基于數(shù)學(xué)模型的，而磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變的，因而傳統(tǒng)的控制方法控制性能不夠理想。本研究應(yīng)用Ansoft軟件中的Maxwell2Ｄ模塊對(duì)磁浮開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得出了轉(zhuǎn)子克服重力作用所需要的驅(qū)動(dòng)電流，由懸浮所需要的力來選取驅(qū)動(dòng)電流，改變了傳統(tǒng)過分依賴數(shù)學(xué)模型的方法，而且這種方法具有一定的普遍適用性。
三自由度磁軸承結(jié)構(gòu)圖，圖為三極徑向磁軸承。圖中下標(biāo)“ｌ”表示磁軸承在電機(jī)主體的左邊，ｌａ、ｌｂ和ｌｃ分別為Ａ、Ｂ和Ｃ軸繞組產(chǎn)生的磁通，ｌｘ和ｌｙ分別是ｌａ、ｌｂ和ｌｃ到ｘｌ、ｙｌ軸的等效磁通。轉(zhuǎn)子在磁通ｌａ、ｌｂ和ｌｃ作用下，處于平衡位置，若轉(zhuǎn)子受外擾力作用偏向ｘｌ正方向，則減小磁通ｌｘ能夠使轉(zhuǎn)子回到原來的位置。ｉｌａ、ｉｌｂ和ｉｌｃ分別為Ａ、Ｂ和Ｃ軸繞組電流，ｉｌｘ、ｉｌｙ為ｘｌ、ｙｌ軸等效繞組電流。分析可知，轉(zhuǎn)子向ｘｌ正方向偏移，減小ｉｌｘ，即減小Ｆｌｘ，轉(zhuǎn)子回到原來的位置，轉(zhuǎn)子向ｘｌ反方向偏移，則增大ｉｌｘ，能夠使轉(zhuǎn)子回到原來的位置。同理，轉(zhuǎn)子向ｙｌ正方向偏移，減小ｉｌｙ，即減小Ｆｌｙ，轉(zhuǎn)子回到平衡位置，轉(zhuǎn)子向ｙｌ反方向偏移則增加ｉｌｙ，即增加Ｆｌｙ，轉(zhuǎn)子回到平衡位置，改變ｘｌ、ｙｌ軸繞組電流ｉｌｘ、ｉｌｙ大小和方向，即可改變Ｆｌｘ、Ｆｌｙ的大小和方向。
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