（精密仪器及机械专业论文）内转子式片状无轴承永磁电机的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文研究了一种新型的无轴承电机。理论研究表明这种结构的无轴承电机 的磁悬浮径向力和电机的转矩是相互解耦的，又因为它是片状永磁转子结构， 只须控制转子的两个径向自由度和旋转自由度，其他三个自由度是被动稳定的。 这种电机由于控制机理简单、功耗小、无摩擦等独特的优点，在航空航天、旋 转高速机械、能源生命科学等领域具有广阔的应用前景。 本文分析了内转子式片状无轴承永磁电机的基本结构和工作原理，给出了 此电机径向悬浮力的数学模型，深入研究了电机的机械结构和绕组的绕制及其 各结构参数的选定。针对内转予式片状无轴承永磁电机系统要求功率放大器是 双向电流型的，输出电流既要i 0 且要i 1 3 时f 如1 ，保证了径向力的控制和电机旋转控制的自动解耦，这在后面的数学模 型中有详细介绍。 2 4 内转子式片状无轴承永磁电机的数学模型 从前面的介绍中我们已经知道内转子式片状无轴承永磁电机的转矩绕组通 三相交流电流，在z 和y 方向上各有一套悬浮控制绕组，它们都是两极绕组。 内转子式片状无轴承永磁电机的数学模型是一个非线性多变量、强耦合的 控制对象，为简化分析，可作如下假设： 1 ) 磁饱和效应和涡流损耗忽略不计： 2 ) 不考虑温度和电机频率变化对电机参数的影响。 2 4 1 径向力方程 结合图2 4 ，我们先来分析偏置永磁体和永磁转子在气隙处产生的磁感应强 度分布。图2 7 为转子的坐标系，将图中坐标系按气隙平铺开来，我们可以得到 偏置永磁体在气隙中产生的磁感应强度分布和永磁转子在气隙中产生的磁感应 强度分布如图2 8 所示。 y s 剀2 7 转子的埘坐标系 内转子式片状无轴承永磁电机的研究 = 一 一 d 且要i 0 ，所 以我们设计两种双向功率放犬器，一种是线性功放，一种是p w m 开关功放。下 面我们将对两种功率放大器的设计进行详细的介绍。 4 3 1 线性功放的研究设计 作者研制成功了连续型线性功放，采用的功率j 芷：片是a p e xm i c r o t e c h 公司 南京航空航天大学硕士学位论文 的p a 7 4 a ，能实现内转子式片状无轴承永磁电机的静态悬浮和6 0 0 0 r r n i n 的旋转。 其实物图见图4 ，1 1 。 图4 1 1 线性功放实物图 4 3 1 1 线性功放主电路 由于内转子式片状无轴承永磁电机电磁铁线圈中的电流是双向流动，因此 本课题选择了如图4 1 2 所示线性功放主电路，主电路中的功率器件采用的是 a p e xm i c r o t e c h 公司的p a 7 4 a 芯片。 一阮 图4 1 2 线性功放主电路 图4 1 2 中的p a 7 4 a 是线性功放芯片，它输出端的最大电流可达3 a 。输入 端的信号为正负电压值，通过p a 7 4 a 的同相放大可以得至b 电磁线圈两端的电压。 线圈两端电压直接影响线圈电流响应速度，电磁线圈内阻成通常是小于3 欧姆， 因此验证了式( 4 7 ) 得出的“通过提高来提高电流响应速度”结论的正确性。 在主电路中的主要器件还有续流二极管d l 和d ：。为r 减小二极管上的功耗， 本课题选用的是m u r 8 6 0 快恢复二极管。 内转子式片状无轴承永磁电机的研究 4 3 1 2 控制电路 线性功放的控制电路用来将控制器输出的控制信号和由电流传感器采样过 来的信号进行比较后通过p i 调节和限幅送到主电路的输入端。本课题设计的线 性功放控制电路结构框图如图4 1 3 。 图4 1 3 线性功放控制电路结构框图 在这个电路中，各级信号处理都采用运算放大器设计，具有信号动态范围 大的特点。电流传感器的采样信号是及时的将电磁线圈中的电流反馈过来，形 成负反馈，从而达到电流型功放的设计。电路中的p i 调节器的作用是将p i d 控 制器输出信号和电流传感器信号的比较信号能无偏差的，及时的送到主电路输 入端。限幅电路的作用是保证主电路的输入电压不超过规定的值，从而保护 p a 7 4 a 芯片不损坏。 4 3 1 3 性能测试 线性功放设计制作完成后，需要进行性能测试。 图4 1 4 和图4 1 5 为输入频率分别为1 0 0 h z 和4 0 0 h z ，幅值为1 v 的正弦波 2 ) 的情况。 d 吸驻 ， ：熟 图4 1 4 线性功放输入输出测试1 日雨固 l 汛 图4 1 5 线性功放输入输出测试2 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 1 6 和图4 1 7 为输入频率分别为1 0 0 h z 和4 0 0 h z ，幅值为2 v 的正弦波 时，此线性功放的输出电流波形( 通道2 ) 的情况。 霜 秣o 然：+ 妊 v “ 蔑? 一 一对 b 匝职 图4 1 6 线性功放输入输出测试3图4 1 7 线性功放输入输出测试4 从上面图中我们可以看到此线性功放的电流纹波很小，可以忽略不计；能 提供最大电流3 a ，能满足内转子式片状无轴承永磁电机的刚度要求；在低频时 线性功放的跟踪性很好，且幅值的失真情况很小；在高频时性能差了很多。实 验证明此功放能正常工作在4 0 0 h z ，保证内转子式片状无轴承永磁