無軸承永磁同步電機參數(shù)設(shè)計及抑制振動控制研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力的迅猛發(fā)展，諸如精密數(shù)控機床、特種機器人、IC制造裝備、低碳新能源、高速飛行器、渦輪分子泵、離心機等裝備對高速或超高速電機有著迫切需求。高速電機具有一系列優(yōu)點，如:(1)電機體積小，原材料少，功率密度高，效率高;(2)可取消傳動機構(gòu)，直接驅(qū)動負(fù)載，減小了傳動損耗，噪音小;(3)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)速度快。高速電機在特種傳動、高速直驅(qū)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，正成為國際電氣工程領(lǐng)域的研究熱點。在高速運行狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)

2、子對機械軸承振動沖擊大，使得軸承發(fā)熱和磨損嚴(yán)重，大幅度縮短了電機與軸承的使用壽命。磁懸浮軸承能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子無摩擦、無磨損運行，但是由磁懸浮軸承支承的高速電機軸向長度長、臨界轉(zhuǎn)速低，由磁懸浮軸承支承的高速電機難以突破轉(zhuǎn)速和功率的限制，同時需采用多個磁軸承單元組成高速電機系統(tǒng)，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大。而無軸承永磁同步電機結(jié)合了永磁同步電機和磁軸承的優(yōu)點，在產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的同時，還產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子懸浮的徑向懸浮力，可實現(xiàn)更大功率和更高轉(zhuǎn)速運行，在高

3、速傳動領(lǐng)域具有重大的研究和應(yīng)用價值。
　　 在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2007AA04Z213)和國家自然科學(xué)基金(60974053)等基金的資助下，為了解決無軸承永磁同步電機應(yīng)用于高速直接驅(qū)動領(lǐng)域的技術(shù)難題，以實現(xiàn)無軸承永磁同步電機高速運行為目標(biāo)，對無軸承永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型、永磁轉(zhuǎn)子機械強度優(yōu)化設(shè)計、轉(zhuǎn)子渦流損耗模型的建立與極對數(shù)優(yōu)化、轉(zhuǎn)子自適應(yīng)抑制振動控制方法和無軸承永磁同步電機的數(shù)字控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)開展研究。主要研究

4、工作及成果如下:
　　 (1)分析了無軸承永磁同步電機中的麥克斯韋力和洛倫茲力，研究了懸浮機理，推導(dǎo)出產(chǎn)生穩(wěn)定可控任意方向徑向懸浮力條件，考慮轉(zhuǎn)子偏心，采用解析法建立了懸浮力與轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)模型。
　　 (2)提出了無軸承永磁同步電機瞬態(tài)參數(shù)化有限元分析方法。建立了無軸承永磁同步電機瞬態(tài)有限元分析模型，對定子兩套繞組施加頻率和相位可調(diào)的外部電流源，設(shè)定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，驗證了無軸承永磁同步電機懸浮機理;計算了兩套繞組感應(yīng)電動勢、轉(zhuǎn)

5、矩和徑向懸浮力。
　　 (3)提出了永磁轉(zhuǎn)子機械強度優(yōu)化設(shè)計方法。根據(jù)材料力學(xué)和彈性力學(xué)理論，建立了面貼式永磁轉(zhuǎn)子護套過盈配合量與最高運行轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型;對深埋式永磁轉(zhuǎn)子，提出了計算轉(zhuǎn)子機械強度的等效環(huán)法?；诮佑|有限元法，仿真研究驗證了永磁轉(zhuǎn)子機械強度優(yōu)化設(shè)計方法的正確性。
　　 (4)提出了無軸承永磁同步電機的氣隙磁場和繞組極對數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。建立了永磁轉(zhuǎn)子渦流損耗模型，對永磁體磁化模式開展研究，以降低氣隙磁場諧波為

6、目標(biāo)，對氣隙磁場進(jìn)行優(yōu)化;研究對比了具有不同定子兩套繞組極對數(shù)的無軸承永磁同步電機轉(zhuǎn)子渦流損耗。采用耦合電路瞬態(tài)有限元驗證了優(yōu)化設(shè)計方法。
　　 (5)提出了基于多頻率跟蹤算法的無軸承永磁同步電機轉(zhuǎn)子自適應(yīng)抑制振動控制策略。為了提高振動信號頻率辨識精度，在分析了轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，提出了基于多頻率跟蹤算法的無軸承永磁同步電機自適應(yīng)抑制振動控制策略;建立了轉(zhuǎn)子振動頻率的多頻率跟蹤算法，并分析其穩(wěn)定性。構(gòu)建了基于轉(zhuǎn)子振動頻率在