混合永磁游標(biāo)電機(jī)磁鏈觀測(cè)器設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)控制方法

包廣清，祁武剛,b,c

(蘭州理工大學(xué) a.電氣工程與信息工程學(xué)院；b.甘肅省工業(yè)工程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.電氣與控制工程國(guó)家級(jí)試驗(yàn)教學(xué)示范中心，蘭州 730050)

隨著電氣、液壓、機(jī)械以及控制等相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)(top-driving drilling system，TDS)已成為鉆采裝備的主流機(jī)型。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)TDS大多數(shù)采用異步電機(jī)加齒輪箱的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但有關(guān)數(shù)據(jù)表明，超過(guò)40%故障來(lái)自齒輪箱機(jī)械故障，且維護(hù)保養(yǎng)成本高[1]。基于永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous machine，PMSM)的直驅(qū)式TDS系統(tǒng)，由于不需要配備額外的齒輪變速機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)可靠性得到提升[2]。然而，為了滿(mǎn)足TDS低速大轉(zhuǎn)矩要求，采用普通PMSM的槽數(shù)及永磁體極數(shù)較多，導(dǎo)致TDS裝備體積笨重龐大，機(jī)組運(yùn)維成本依舊居高不下。

近年來(lái)，基于“磁齒輪效應(yīng)”的磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。其中，永磁游標(biāo)電機(jī)(permanent magnet vernier machine，PMVM)由于具有“自減速”和高功率密度的特點(diǎn)，可以省去齒輪箱等復(fù)雜傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)了無(wú)齒傳動(dòng)，從而避免傳動(dòng)磨損和漏油等因素所造成的機(jī)械故障，并且降低噪音污染，有效提升工作效率、機(jī)械穩(wěn)定性和使用壽命。TDS全速域、多工況應(yīng)用背景要求頂驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍高效平滑調(diào)速，然而基于磁性能較為穩(wěn)定的高矯頑力永磁體(high coercive force, HCF)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)，PMVM電機(jī)弱磁范圍有限。同時(shí)弱磁控制會(huì)增加電機(jī)銅耗，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降，還可能造成不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)[3]。因此，在PMVM中引入低矯頑力永磁體(low coercive force, LCF)，構(gòu)成混合永磁游標(biāo)電機(jī)，既可以保證電機(jī)的力能指標(biāo)，又能夠根據(jù)工況需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩輸出和弱磁擴(kuò)速能力[4]。……