無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)精確數(shù)學(xué)建模及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)是將無(wú)刷直流電機(jī)和無(wú)軸承技術(shù)結(jié)合而成的一種新型電機(jī)，它的轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共用定子鐵心，因此具有無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)需勵(lì)磁、高效可靠、出力大和無(wú)軸承電機(jī)的高轉(zhuǎn)速、無(wú)磨損等多重優(yōu)勢(shì)，在血液泵、手術(shù)切割電鋸、高速/超高速離心機(jī)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和飛輪儲(chǔ)能等新能源領(lǐng)域具有極高的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。近十五年來(lái)，無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)作為一個(gè)新興方向在國(guó)內(nèi)外得到了一些研究，但尚且存在結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、精確數(shù)學(xué)建模以及先進(jìn)控制技術(shù)與算

2、法的應(yīng)用等關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題亟待解決。為解決這些問(wèn)題，本文將進(jìn)行如下幾方面的工作:
　　 首先，從無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)基本組成和本體結(jié)構(gòu)出發(fā)，詳細(xì)分析轉(zhuǎn)矩與懸浮力的產(chǎn)生原理，從繞組分布上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與懸浮力之間的解耦，為后續(xù)精確數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)奠定基礎(chǔ)。
　　 其次，從本文提出的無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的工作原理出發(fā)，將永磁體磁動(dòng)勢(shì)等效為懸浮力繞組上的虛擬電流，推導(dǎo)單自由度及任意位置處徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型，給出轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模

3、型的建立將為電機(jī)的精確控制奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
　　 再次，對(duì)推導(dǎo)出的無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有限元分析。為得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，為位移剛度系數(shù)引入了修正系數(shù)，并再次對(duì)其進(jìn)行了有限元驗(yàn)證。簡(jiǎn)要介紹無(wú)軸承永磁電機(jī)通用型工作原理及結(jié)構(gòu)，闡述氣隙磁密幅值及其波形對(duì)電機(jī)的影響。從理論上分析磁場(chǎng)分布的特點(diǎn)，并利用Ansoft軟件對(duì)無(wú)軸承永磁電機(jī)的面貼式和Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元分析與對(duì)比，得出氣隙磁密在轉(zhuǎn)子外圓周表面及轉(zhuǎn)

4、子磁軛中的分布情況。有限元分析結(jié)果表明，本文推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型具有精確性和可靠性，Halbach陣列能顯著提高氣隙磁密并增強(qiáng)其正弦特性。
　　 最后，設(shè)計(jì)無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，介紹雙閉環(huán)轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)和雙閉環(huán)懸浮力子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法及工作原理。借助MATLAB/Simulink對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)基于TMS320F2812平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件并闡述各主要功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的可