技术领域
[0001] 本发明涉及一种磁悬浮泵磁路结构及控制方法，特别是涉及一种基于转子双向主动轴向力的多自由度电磁悬浮系统及其控制方法。
相关背景技术
[0002] 目前被广泛应用于在半导体制造、高纯化工以及生物医药等领域中的磁悬浮离心泵，其核心的悬浮驱动系统可以看做是无轴承永磁薄片电机，它作为一种流体动力源，可以使磁悬浮离心泵产生更少的污染，因此在高纯流体系统中被广泛应用。
[0003] 磁悬浮式离心泵在径向上为两自由度主动悬浮，倾斜方向上为两自由度被动悬浮，在旋转方向上为主动控制，以及在轴向上为被动悬浮。磁悬浮泵叶轮受到的残余轴向液力必须通过被动轴向电磁力来补偿。由于磁悬浮泵需要密封和运输液体，它磁路中的气隙要比无轴承薄片电机更宽，因此它的轴向被动刚度较弱。因此，当叶轮受到较大的液体静压力或动反力时，叶轮会发生轴向偏移，甚至与泵壳碰撞，或者会使叶轮受到轴向冲击而振动，并在某些情况下发生振动甚至失稳。因此提高轴向刚度和轴向可控性能是十分有必要的。
[0004] 在应用层面，目前市场上绝大部分的磁悬浮离心泵产品，在轴向上都是通过被动悬浮来实现的。有学者通过改变磁路拓扑的方式来提高磁悬浮电磁系统的轴向被动刚度，如采用同极性的磁轴承以增加偏置磁通。但在增加轴向被动刚度的同时，会削弱一些关键性能，如输出扭矩降低。
[0005] 被动刚度的提升可以补偿较大的液体静压力，但仍然无法抵抗由液体反动力造成的轴向冲击。因此，需要有轴向主动控制能力来增加轴向抗扰动能力。但是目前没有满足磁悬浮泵需求的实现轴向主动控制磁路结构，如存在轴向主动轴承会大大增加磁悬浮泵的轴向长度，现有的轴向主动旋转电机无法满足径向主动悬浮等问题。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0039] 如图1所示，系统包括转子1、7字型硅钢组、轴向力绕组3、悬浮绕组5、驱动绕组6和底部圆形硅钢7；
[0040] 7字型硅钢组固定安装在底部圆形硅钢7上，转子1设置在7字型硅钢组上端的中部内，7字型硅钢组中从下到上依次绕制有驱动绕组6和悬浮绕组5，轴向力绕组3固定安装在悬浮绕组5上方的7字型硅钢组中，具体实施中，驱动绕组6和悬浮绕组5的中心轴线重合，悬浮绕组和驱动绕组的轴线也可以是歪的，即不重合。轴向力绕组3与转子1的中心轴线垂直，转子1位于轴向力绕组3的侧上方；驱动绕组6和轴向力绕组3绕制的相数和极对数相同。转子1为一对极平行径向充磁，为一对极的磁路结构。轴向力绕组3和驱动6的极对数始终与转子极对数一致，它为两相一对极。悬浮绕组5为两相两对极绕组。
[0041] 7字型硅钢组包括多根7字型硅钢2，多根7字型硅钢2沿圆周等间隔地固定安装在底部圆形硅钢7上；每根7字型硅钢2中，7字型硅钢2外从下到上依次固定安装有驱动绕组固定架4c、悬浮绕组固定架4b和轴向力绕组固定架4a，驱动绕组固定架4c中绕有驱动线圈，悬浮绕组固定架4b中绕有悬浮线圈，驱动线圈和悬浮线圈的中心轴线重合，与底部圆形硅钢7的轴向平行。轴向力绕组固定架4a中绕有空心线圈，空心线圈设置在轴向力绕组固定架4a的内侧，空心线圈安装在7字型硅钢2上部的凸起块下，空心线圈的中心轴线与转子1的中心轴线垂直，多根7字型硅钢2中的空心线圈的中心轴线指向同一个圆心，即空心线圈的中心轴线等间隔围成一周；转子1设置在多根7字型硅钢2上端的内侧面之间，具体地转子1位于空心线圈的侧上方；由7字型硅钢组中所有驱动线圈组成驱动绕组6，由7字型硅钢组中所有悬浮线圈组成悬浮绕组5，由7字型硅钢组中所有空心线圈组成轴向力绕组3，轴向力绕组3为两相两对极绕组。通电的轴向力绕组3可以使转子产生任意方向和大小的轴向悬浮力。7字型硅钢组可以给转子提供与位移方向相反的被动磁阻力，进而可以将转子1拉回初始位置，使转子保持稳定。
[0042] 7字型硅钢组由8根7字型硅钢2组成，8根7字型硅钢2中均安装有对应的空心线圈，相邻的两个空心线圈形成一组轴向力线圈，8个空心线圈形成四组轴向力线圈，不相邻组的轴向力线圈为同一相绕组，即相邻组的轴向力线圈为不同相绕组，同一相绕组的空心线圈串联连接。如图2所示，轴向力绕组3中一相绕组的4个线圈分别位于7字型定子硅钢2的I和II以及V和VI的一侧，另一相绕组中的4个线圈位于III、IV、VII和VIII的一侧，同一相绕组的4个线圈通过串联的方式组成一相，绕制的方向如图2所示。
[0043] 在全磁浮驱动系统中，定子齿数、极对数和相数之间的组合方式可以多种多样，而本全磁浮系统对应的定子齿数、极对数和相数的选择不限于此。在本系统中，轴向力绕组与驱动绕组的极对数和相数完全一致，使用相同的变量进行表示。于是，对最多12个齿的无轴承薄片电机的所有可能配置进行总结，但总结有以下限制：轴向力绕组、驱动绕组和悬浮绕组的设计最多为三相，同类型的绕组的配置均一致。在去除了原理可行但实用性不高的组合形式之后，将各参数组合形式以表格呈现，如下表所示。
[0044] 表1全磁浮驱动系统中各参数的配置
[0045]
[0046] N:齿数；pi:极对数；ti:绕组类型(A:非对称绕组分布；S:对称绕组分布)；mi:相数；
[0047] qi:每相中每极的定子槽数，i＝1表示轴向力绕组3和驱动绕组6，i＝2表示悬浮绕组5，
[0048] 图3为主动轴向电磁力原理图。主动轴向电磁力可分为主动麦克斯韦力和主动洛伦兹力。
[0049] 主动麦克斯韦力是通过永磁体漏磁通与通电轴向力绕组产生的绕组磁通相互作用产生的。由于可以使永磁体漏磁密基波 的初始相位与轴向力绕组在气隙中的磁密基波 初始相位保持一致， 为转子的空间位置角。因此，主动轴向麦克斯韦力的线性解析模型的表达式为：
[0050]
[0051] 其中，FM表示主动轴向麦克斯韦力，l为转子有效长度，r为转子半径，k1表示主动麦克斯韦力模型修正系数，μ0表示真空磁导率， 和 分别为永磁体漏磁和轴向力绕组的磁密基波幅值， θM为主动麦克斯韦力与磁场夹角， 表示由轴向力绕组产生的有效磁通量，p1表示轴向力绕组的极对数，i1表示轴向力绕组中通入的电流的幅值，N1表示轴向力绕组的每相有效串联匝数，因此，无论转子旋转到什么位置，FM都与i1呈线性关系。
[0052] 主动洛伦兹力是由永磁体漏磁通与通电轴向力绕组的有效边相互作用产生的。由于可以使永磁体漏磁密基波 的初始相位与轴向力绕组的电流密度基波初始相位保持一致。因此，主动轴向洛伦兹力的线性解析模型可以表达为，[0053]
[0054] 其中，FL表示主动轴向洛伦兹力，k2表示主动洛伦兹力模型修正系数， 为轴向力绕组有效边的电流密度基波幅值，θL为产生主动洛伦兹力与磁场夹角。其中，因此，无论转子旋转到什么位置，FL都与i1呈线性关系。
[0055] 综上，主动轴向电磁力Fatv＝FM+FL，它与轴向力绕组中通入的电流幅值i1呈线性关系，且其中的主动麦克斯韦力模型修正系数k1，主动洛伦兹力模型修正系数k2可由实验或仿真确定。
[0056] 图4为被动轴向磁阻力原理图。在线性范围内，转子所受的被动磁阻力与转子的轴向位移呈正比。每当转子发生轴向位移的时候，转子都会受到与位移方向相反、大小成正比的力，将转子拉回到初始位置，进而使转子恢复到平衡位置。由于转子为正弦充磁，其气隙处的磁密基波可以表达为 因此，被动轴向磁阻力的线性解析模型表达式为：
[0057]
[0058] 其中，Fpsv表示被动轴向磁阻力，L为转子有效长度， 为永磁体磁密基波幅值，δ为气隙宽度，Δz为轴向位移，k3表示被动磁阻力模型修正系数。被动磁阻力模型修正系数k3可以通过仿真或者实验来确定。
[0059] 一种基于转子双向主动轴向力的全磁浮系统的控制方法包括以下步骤：
[0060] 1)采集转子1的z轴实际位移、实际角度，同时根据实际角度计算得到转子1的实际角速度；具体实施中，激光位移传感器用来检测转子1的z轴实际位移，差分式正交分布的线性霍尔传感器用来检测和计算转子1的角度和角速度。
[0061] 2)根据z轴期望位移和z轴实际位移，PID控制器计算并输出用于控制轴向力绕组3的d轴期望电流信号；
[0062] 3)将轴向力绕组3的q轴期望电流信号、d轴期望电流信号、q轴实际电流信号和d轴实际电流信号以及转子1的实际角速度一起输入悬浮电流前馈解耦PI控制器中，其中q轴期望电流信号为0，用于实现dq轴电流静态解耦。悬浮电流前馈解耦PI控制器输出轴向力绕组3的q轴期望电压信号和d轴期望电压信号；
[0063] 4)根据转子1的实际角度、轴向力绕组3的q轴期望电压信号和d轴期望电压信号计算获得作用在轴向力绕组中a相绕组上的实际电压Ua和b相和绕组上的实际电压Ub，进而获得轴向力绕组3中a相绕组上的实际电流ia和b相绕组上的实际电流ib，ia和ib使得轴向力绕组3产生电磁力并作用于转子1，实现转子1的轴向控制；
[0064] 4)具体为：
[0065] 根据转子1的实际角度，对轴向力绕组3的q轴期望电压信号和d轴给定电压信号进行帕克逆变换后输出了轴向力绕组3的a相绕组的期望电压信号Ua*和b相绕组的期望电压信号Ub*；
[0066] 轴向力绕组3的a相绕组的期望电压信号Ua*和b相绕组的期望电压信号Ub*经过可正负双极性输出的数模转换器(双极性DAC)和直流功率放大器后，获得轴向力绕组3中a相绕组上的实际电压Ua和b相绕组上的实际电压Ub，其中，数模转换器可以输出2个可以连续变化的电压模拟量信号，输出的电压值与两相绕组的期望电压信号值相对应。直流功率放大器可以将电压值进行放大，并且将电流的驱动能力进行很大的提升，并用于驱动两相轴向力绕组。，进而获得轴向力绕组3中a相绕组上的实际电流ia和b相绕组上的实际电流ib，ia和ib使得轴向力绕组3产生主动电磁力并作用于转子1，实现转子1的轴向控制；
[0067] 5)根据转子1的实际角度、轴向力绕组3中a相绕组上的实际电流信号ia和b相绕组上的实际电流信号ib计算获得q轴实际电流信号、d轴实际电流信号并输入到悬浮电流前馈解耦PI控制器中；
[0068] 5)具体为：
[0069] 根据转子1的实际角度，对轴向力绕组3中a相绕组上的实际电流信号ia和b相绕组上的实际电流信号ib进行帕克变换后，获得q轴实际电流信号、d轴实际电流信号并输入到悬浮电流前馈解耦PI控制器中；
[0070] 6)重复1)‑5)，对转子1进行轴向地持续控制。
[0071] 如图5所示，控制框图的外环为位置环，内环为电流环。它们分别用于z轴位置的控制和轴向力绕组上的电流的控制。z轴位移的偏差通过PID控制器之后转换成电流控制信号，根据上述推导过程，此处仅需d轴电流对主动轴向力进行控制，q轴电流为0。d轴电流信号通过电流环控制，可以使实际电流输出达到期望值，以完成对轴向主动电磁悬浮系统的控制。本系统的控制器输出是通过系统自带的双极性模数转换器DAC实现的，输出信号经过直流功率放大器放大后，可以实现对电磁系统的绕组的驱动。本系统中，每相绕组中都有1个电流传感器用于检测电流，有角度传感模块用检测转子的角度位置和转速信息，以及设置有激光位移传感器或电涡流传感器等位移检测传感器用来检测转子的轴向位置。
[0072] 图6的(a)和(b)分别是整个磁悬浮泵电磁系统上悬浮绕组的绕制方式，图7的(a)和(b)分别是整个磁悬浮泵电磁系统上驱动绕组的绕制方式。本发明所提出的主动轴向电磁悬浮系统需要与此系统联合起来使用，才能完成在悬浮和旋转状态下，稳定的可控的轴向电磁力的输出。
