Analytical Prediction in a Double-Rotor Single-Stator Switch Reluctance Machine with Core-less Stator Taking into Consideration Saturation for Bearingless Applications
本文提出了一种针对具有无铁芯定子的双转子单定子开关磁阻机的精确解析子域模型及饱和补偿技术，该模型能够实现对任意齿形配置下无轴承应用中径向压力的准确预测。
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想象一个机器在旋转时永远不会接触轴承的世界，它们悬浮在磁力形成的垫层之上。这就是无轴承技术的愿景——这一领域旨在通过利用磁场同时实现部件的悬浮与旋转，从而消除摩擦、磨损以及对润滑的需求。为了实现这一目标，工程师必须设计出能够同时产生两种不同作用力的电机：一种是使转子旋转的切向拉力，另一种是使转子保持在空中中心位置的径向推力。如果磁力计算失误，转子就会撞向定子，导致悬浮中断。挑战在于如何极其精确地预测这些无形的力，尤其是在机器内部的金属部件进入“饱和”状态时——在这种状态下，铁材已无法承载更多的磁通量，就像一块吸收了所有能吸收的水分的海绵一样。
在最近的一项研究中，托兰高等教育学院（Tooran Institute of Higher Education）的一位研究人员针对一种被称为“双转子单定子开关磁阻电机”的特定且复杂的机器设计解决了这一问题。这种机器非常独特，它拥有两个嵌套在一起的旋转圆柱体，围绕着一个持有绕组的静止核心。与使用永磁体的传统电机不同，这种设计依赖于铁齿的形状来产生运动，使其具有鲁棒性、结构简单且能够高速运行。研究人员专注于该电机的一个版本，即一种缺乏定子实心铁芯的“无铁芯”设计，这种设计可以减轻重量并减少能量损失。其目标是创建一个数学模型，能够预测转子上的磁压，而无需在每次设计变更时都运行缓慢且昂贵的计算机模拟。
研究始于开发一个精确的解析模型，即一套描述磁场如何流经机器不同区域（包括内转子、外转子以及它们之间的气隙）的数学规则。最初，该模型假设铁质部件是完美的磁导体，这种简化虽然让数学计算变得容易，但准确度较低。为了解决这个问题，研究人员引入了一种新技术来考虑磁饱和现象。该方法通过计算流经每个齿部和转子背铁的磁通量，并结合所用钢材的实际特性来进行工作。当钢材达到饱和时，模型会应用一个修正因子，其含义类似于：“铁已经满了；磁场无法像简单数学预测的那样继续增长。”这个过程通过迭代进行，不断精炼计算，直到预测的磁场趋于稳定并符合钢材物理特性的实际表现。
研究人员将这个新模型与另外两种方法进行了对比测试：一种是忽略饱和现象的标准线性模型，另一种是有限元分析（一种高度详细的计算机模拟，通过将机器分解为数千个微小部分来求解物理方程）。测试是在两种版本的电机上进行的，一种采用单层绕组，另一种采用双层绕组，两者均在 6 安培每平方毫米的电流密度下运行。结果显示，不同方法之间存在明显差异。简单的线性模型显著高估了径向压力（即将转子向外推的力量）。在无轴承系统中，这种高估是危险的；依赖这些数值的控制系统可能会误认为自己拥有比实际更多的升力，从而导致不稳定或发生转子与定子的碰撞。
相比之下，带有饱和修正的新模型与详细的计算机模拟结果高度吻符。它准确地预测了磁压在饱和区域下降的情况，提供了关于作用力更真实的图景。研究还表明，双层绕组配置产生的压力分布在转子周围更加对称。这种对称性对于无轴承应用至关重要，因为它减少了可能引起机器震动的非对称磁拉力，使得主动悬浮控制更容易管理。研究结果证实，虽然简单的数学运算速度快，但在机器在高负荷运转时会失效；而新的迭代修正方法则弥补了这一差距，提供了一个既足够快速用于设计优化，又足够精确以确保转子安全悬浮的工具。
这项工作填补了此类双转子机器工程设计中的一个重要空白。在此项研究之前，还没有能够处理具有无铁芯定子及双转子特定几何结构，且能考虑到饱和铁非线性行为的解析模型。通过提供一种可靠的方法来计算径向压力，研究人员为工程师提供了一个实用的工具，使他们能够充满信心地设计这些高速、无摩擦的机器。该模型确保了磁力的预测是正确的，防止了因高估机器升力能力而导致的灾难性故障。随着电动汽车和工业压缩机等领域对高速、可靠电力驱动需求的增长，这种无需承担沉重计算机模拟成本即可精确预测磁行为的能力，成为了构建下一代漂浮式、无摩擦机械的重要一步。
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