永磁型無軸承電機(jī)的基礎(chǔ)研究.pdf

1、利用電磁軸承與電機(jī)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(jī)定子中，通過電力電子和微機(jī)控制使其同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)與電磁懸浮支撐功能的一種新型磁懸浮電機(jī)——無軸承電機(jī)的出現(xiàn)，已成為高速電機(jī)領(lǐng)域研究的重大突破。無軸承電機(jī)不僅繼承了磁軸承電機(jī)無摩擦、無磨損、無潤滑等優(yōu)點(diǎn)，而且具備軸向空間利用率高、體積小、功耗低的特點(diǎn)，在空間技術(shù)、機(jī)床、真空技術(shù)及超高速電機(jī)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 相對(duì)其他類型的無軸承電機(jī)，永磁型無軸承

2、電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)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(chǔ)能、各種高速機(jī)床主軸電機(jī)和密封泵類、離心機(jī)、壓縮機(jī)、高速微型硬盤驅(qū)動(dòng)裝置等領(lǐng)域更具備實(shí)用化優(yōu)勢，成為目前實(shí)現(xiàn)無軸承電機(jī)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(jī)為研究對(duì)象，著重于兩者數(shù)學(xué)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(duì)表貼式無軸承永磁電機(jī)中磁懸浮力產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了深入的理論分

3、析和數(shù)學(xué)建模，特別揭示了轉(zhuǎn)子偏心、洛倫茲力對(duì)懸浮力控制以及懸浮控制繞組磁場對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的耦合影響，進(jìn)而提出了一種實(shí)用的懸浮力及轉(zhuǎn)矩控制方案。實(shí)驗(yàn)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(jī)懸浮運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
　　 同時(shí)，針對(duì)表貼式無軸承永磁電機(jī)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(shí)出懸浮控制所需的轉(zhuǎn)矩控制繞組氣隙磁場的方法，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組的相互獨(dú)立控制，為永磁型無軸承

4、電機(jī)向?qū)嵱没较虬l(fā)展提供了新的途徑。
　　 其次對(duì)一種新型交替極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁型無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩與懸浮力特性進(jìn)行了電磁場有限元仿真分析，驗(yàn)證了該無軸承電機(jī)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(duì)交替極式和表貼式兩種永磁型無軸承電機(jī)進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，避免了傳統(tǒng)無軸承永磁電機(jī)中轉(zhuǎn)矩和懸浮力的折中問題。
　　 隨后對(duì)新型交替極永磁無軸承電機(jī)

5、的磁懸浮機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并應(yīng)用氣隙磁導(dǎo)分布理論和分段磁路法推導(dǎo)了交替極式無軸承永磁電機(jī)的新的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造了交替極無軸承永磁電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于TMS320F2812 單數(shù)字信號(hào)處理器的軟硬件數(shù)字控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)該類永磁型無軸承電機(jī)控制提供了可靠的實(shí)驗(yàn)條件，并在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)了該新型電機(jī)的動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定懸浮，驗(yàn)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論的思想，首