無軸承無刷直流電機精確數(shù)學(xué)建模及控制系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、無軸承無刷直流電機是將無刷直流電機和無軸承技術(shù)結(jié)合而成的一種新型電機，它的轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共用定子鐵心，因此具有無刷直流電機的無需勵磁、高效可靠、出力大和無軸承電機的高轉(zhuǎn)速、無磨損等多重優(yōu)勢，在血液泵、手術(shù)切割電鋸、高速/超高速離心機等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和飛輪儲能等新能源領(lǐng)域具有極高的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。近十五年來，無軸承無刷直流電機作為一個新興方向在國內(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、精確數(shù)學(xué)建模以及先進控制技術(shù)與算

2、法的應(yīng)用等關(guān)鍵性技術(shù)問題亟待解決。為解決這些問題，本文將進行如下幾方面的工作:
　　 首先，從無軸承無刷直流電機基本組成和本體結(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，從本文提出的無軸承無刷直流電機結(jié)構(gòu)的工作原理出發(fā)，將永磁體磁動勢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、型的建立將為電機的精確控制奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
　　 再次，對推導(dǎo)出的無軸承無刷直流電機徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型進行有限元分析。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)，并再次對其進行了有限元驗證。簡要介紹無軸承永磁電機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電機的影響。從理論上分析磁場分布的特點，并利用Ansoft軟件對無軸承永磁電機的面貼式和Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子進行有限元分析與對比，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其正弦特性。
　　 最后，設(shè)計無軸承無刷直流電機控制系統(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)的實現(xiàn)方法及工作原理。借助MATLAB/Simulink對控制系統(tǒng)進行建模與仿真并對仿真結(jié)果進行分析，設(shè)計基于TMS320F2812平臺的實驗系統(tǒng)的軟件并闡述各主要功能模塊的具體實現(xiàn)方法。仿真結(jié)果驗證了控制系統(tǒng)的可