永磁型無軸承電機的基礎(chǔ)研究.pdf

1、利用電磁軸承與電機結(jié)構(gòu)的相似性，將產(chǎn)生懸浮力的原電磁軸承繞組疊繞于旋轉(zhuǎn)電機定子中，通過電力電子和微機控制使其同時具備驅(qū)動與電磁懸浮支撐功能的一種新型磁懸浮電機——無軸承電機的出現(xiàn)，已成為高速電機領(lǐng)域研究的重大突破。無軸承電機不僅繼承了磁軸承電機無摩擦、無磨損、無潤滑等優(yōu)點，而且具備軸向空間利用率高、體積小、功耗低的特點，在空間技術(shù)、機床、真空技術(shù)及超高速電機等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。
　　 相對其他類型的無軸承電機，永磁型無軸承

2、電機以其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、重量輕、效率高和功率密度大等優(yōu)勢，在飛輪儲能、各種高速機床主軸電機和密封泵類、離心機、壓縮機、高速微型硬盤驅(qū)動裝置等領(lǐng)域更具備實用化優(yōu)勢，成為目前實現(xiàn)無軸承電機技術(shù)中最具有發(fā)展前途的方案之一。
　　 本文以表貼式和交替極式兩種永磁型無軸承電機為研究對象，著重于兩者數(shù)學模型和控制策略的基礎(chǔ)研究，主要完成了以下研究工作：
　　 首先對表貼式無軸承永磁電機中磁懸浮力產(chǎn)生機制進行了深入的理論分

3、析和數(shù)學建模，特別揭示了轉(zhuǎn)子偏心、洛倫茲力對懸浮力控制以及懸浮控制繞組磁場對轉(zhuǎn)矩控制的耦合影響，進而提出了一種實用的懸浮力及轉(zhuǎn)矩控制方案。實驗結(jié)果表明考慮轉(zhuǎn)子偏心和洛侖茲力的影響可有效提高無軸承電機懸浮運行時的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應速度。
　　 同時，針對表貼式無軸承永磁電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制的局限性，研究采用電壓-電流模型法辨識出懸浮控制所需的轉(zhuǎn)矩控制繞組氣隙磁場的方法，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組的相互獨立控制，為永磁型無軸承

4、電機向?qū)嵱没较虬l(fā)展提供了新的途徑。
　　 其次對一種新型交替極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁型無軸承電機轉(zhuǎn)矩與懸浮力特性進行了電磁場有限元仿真分析，驗證了該無軸承電機所具有的懸浮力與旋轉(zhuǎn)角位置無關(guān)，轉(zhuǎn)矩與懸浮控制解耦的固有特性。通過對交替極式和表貼式兩種永磁型無軸承電機進行的電磁場分析比較，表明在兩者電磁轉(zhuǎn)矩相近的情況下，前者的懸浮力遠遠大于后者，避免了傳統(tǒng)無軸承永磁電機中轉(zhuǎn)矩和懸浮力的折中問題。
　　 隨后對新型交替極永磁無軸承電機

5、的磁懸浮機理進行了深入研究，并應用氣隙磁導分布理論和分段磁路法推導了交替極式無軸承永磁電機的新的數(shù)學模型，構(gòu)造了交替極無軸承永磁電機的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖。在此基礎(chǔ)上設計和實現(xiàn)了基于TMS320F2812 單數(shù)字信號處理器的軟硬件數(shù)字控制系統(tǒng)，為實現(xiàn)該類永磁型無軸承電機控制提供了可靠的實驗條件，并在實驗樣機上實現(xiàn)了該新型電機的動靜態(tài)穩(wěn)定懸浮，驗證了其懸浮與轉(zhuǎn)矩控制解耦的特性。
　　 最后通過借鑒永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論的思想，首