（电力电子与电力传动专业论文）无轴承永磁同步电机优化设计及运行控制研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授 权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据 库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将 本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查 询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名： 才晶 导师签名： 车心乞牡 签字r 期曲f 年易月fv 同 签字同期：扣l f 年占月l 驴同 l i i i i l l l l lilllllq 5 9 8 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：寻萄 日期：o 口l f 年易月lq - e j 江苏大学硕士学位论文 要 无轴承永磁同步电机是一种集永磁同步电机和磁轴承功能于一体的新型电 机。除了具有永磁同步电机的优点之外，还具有磁轴承的优点，如无摩擦、无需 润滑、高速度、高精度、寿命长等一系列优点。无轴承永磁同步电机在生物工程、 航空航天、能源交通、半导体制造业以及医药卫生等特殊电气驱动传动领域具 有潜在的应用前景。 论文在国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“基于无轴承永磁同步 电机的机器人伺服驱动系统”( 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 1 3 ) 的资助下，针对无轴承永磁同步 电机开展理论和试验研究。主要工作如下： ( 1 ) 阐述了无轴承永磁同步电机的工作原理以及径向悬浮力产生机理；在 分析各部分径向悬浮力数学表达式的基础上，推导了无轴承永磁同步电机径向悬 浮力的数学模型；通过分析无轴承永磁同步电机中各部分洛仑兹力的作用，给出 了无轴承永磁同步电机的电磁转矩方程，得出无轴承永磁同步电机旋转部分的数 学模型。 ( 2 ) 以转矩绕组极对数尸m = l ，悬浮力绕组极对数p b = 2 ，额定功率为5 0 0 w 的二自由度无轴承永磁同步电机为研究对象，对无轴承永磁同步电机定子和转予 的结构形式和参数进行了设计；采用m a t l a b 软件理论分析得出最佳永磁体厚度 和气隙长度；采用a n s y s 软件验证了无轴承电机悬浮原理，分析了径向悬浮力 与两套绕组电流之间的关系。 ( 3 ) 在建立电磁转矩和悬浮力数学模型的基础上，针对电磁转矩和可控悬 浮力的特点，研究了i l a , = 0 的转子磁场定向的转矩控制策略和转子偏心位移直接 控制的悬浮力控制策略。运用m a t l a b s i m u l i n k 构建出仿真系统，并对其进行仿 真分析，仿真试验结果表明该控制系统实现了对转子径向位移的直接控制。 ( 4 ) 基于对转子偏心位移的直接控制策略的分析，应用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 构建了数字控制系统，设计了控制系统的硬件实验平台，开发了相应的软件 流程图。并以二自由度无轴承永磁同步电机为实验对象，对数字控制实验系统进 行调试，给出了相关的实验波形，并对实验结果进行了分析。 江苏大学硕士学位论文 关键词：无轴承永磁同步电机，数学模型，优化设计，直接位移控制，数字控 制 本文得到国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 1 3 ) 资助。 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t ab e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( b p m s m ) i san o v e l e l e c t r o - m a g n e t i cm a c h i n et h a th a st h ef u n c t i o n so fap m s ma n da c t i v em a g n e t i c b e a r i n g s i t s u c c e e d ss o m ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e so fap e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r , a n d a l s oh a s t h ea c t i v e m a g n e t i cb e a r i n g s e x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sr i om e c h a n i c a lf r i c t i o n ，n e e d l e s sl u b r i c a t i o n ，h i g h - s p e e d ， h i g h - p r e c i s i o na n dl o n gl i f e s oi t h a sp o t e n t i a lp r o s p e c tf o ra p p l i c a t i o n si nt h o s e s p e c i a l e l e c t r i cd r i v e t r a n s m i s s i o nf i e l d s ，s u c ha sb i o e n g i n e e r i n g , a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s ，e 1 1 e r g yr e s o u r c ea n dc o m m u n i c a t i o n ，s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g , m e d i c i n e s a n i t a t i o n ，e t c t h i sd i s s e r t a t i o ni s s u p p o r t e db yn a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) p r o j e c t “r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o n o fb e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri nt h er o b o t d r i v e ns y s t e m ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 13 ) t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef u n d a m e n t a lw o r k i n gp r i n c i p l eo fab p m s ma n dt h ep r o d u c t i o n p r i n c i p l eo fr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sa r ee x p o u n d e d b a s e do na n a l y z i n ge a c hp a r to f r a d i a lf o r c e sm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb p m s mr a d i a l s u s p e n s i o nf o r c e si sd e d u c e d a f t e ra n a l y z i n g e a c hp a r to fl o r e n t zf o r c e ，t h e e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ee q u a t i o no ft h eb p m s m i sg i v e n ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o ft o r q u ei se d u c e d ( 2 ) b a s e do nt h ep r o t o t y p eo f t h eb p m s m ，t h es t r u c t u r a lf o r m a ta n dp a r a m e t e r s o ft h ep r o t o t y p ea r ed e s i g n e d t h eo p t i m a lp e r m a n e n tm a g n e tt h i c k n e s sa n da i r - g a p l e n g t ha r ed e d u c e dt h e o r e t i c a l l yb yt h em a t l a bs o f t w a r e t h es u s p e n s i o np r i n c i p l eo f t h eb p m s mi sv 甜f i e db yt h ea n s y ss o f t w a r e ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a d i a l s u s p e n s i o nf o r c ea n d c u r r e n t so ft w os e t so fw i n d i n g s ( t o r q u ew i n d i n ga n ds u s p e n s i o n f o r c ew i n d i n g ) i sa n a l y z e d ( 3 ) b a s e do nt h em o d e l so fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e s ， t h er o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o ls t r a t e g yw i t hi la = oi sp u tf o r w a r dt oc o n t r o lt h e b p m s m st o r q u ea n dan e wm e t h o do fd i r e c tc o n t r o lo fr o t o re c c e n t r i cd i s p l a c e m e n t 江苏大学硕士学位论文 i s p r o p o s e d t oc o n t r o lt h eb p m s m ss u s p e n s i o nf o r c e t h ec o n t r o ls y s t e mi s c o n s t r u c t e db yu s i n gm a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e sa r e s i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o n t r o ls t r a t e g yr e a l i z e sd i r e c tc o n t r o l f o rr o t o re c c e n t r i cd i s p l a c e m e n t ( 4 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed i r e c tc o n t r o lf o rr o t o re c c e n t r i cd i s p l a c e m e n t ， t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a , a n dt h e f l o w c h a r t so fe a c hf u n c t i o n a lb l o c ka r ep r e s e n t e d b a s e do nt h ep r o t o t y p eo ft h e b p m s m ，t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd e b u g g e d ，a n dt h ec o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t w a v e f o r m sa leg i v e n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so fp r o p o s e d c o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：b e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , m a t h e m a t i c a l m o d e l ，o p t i m a ld e s i g n ，d i r e c td i s p l a c e m e n tc o n t r o l ，d i g i t a lc o n t r o l * p r o j e c ts u p p o r t e db y n a t i o n a lh i - t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a n o fc h i n a ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 13 ) 第一章绪论 目录 1 1 无轴承电机概述一l 1 2 无轴承电机的发展概况与应用领域4 1 2 1 无轴承电机的发展概况4 1 2 2 无轴承电机的研究领域5 1 3 无轴承永磁同步电机的研究现状和发展趋势7 1 3 1 无轴承永磁同步电机的研究现状7 1 3 2 无轴承永磁同步电机的研究发展趋势9 1 4 本课题的研究目的、意义及论文主要内容1 2 1 4 1 本课题的研究目的与意义1 2 1 4 2 本论文的研究内容12 第二章无轴承永磁同步电机的工作原理和数学模型 2 1 无轴承永磁同步电机工作原理1 4 2 2 无轴承永磁同步电机悬浮力产生原理1 5 2 3 无轴承永磁同步电机数学模型1 6 2 3 1洛伦兹力16 2 3 2 麦克斯韦力18 2 3 3 转子偏心时的不平衡磁拉力2 0 2 3 4 悬浮力数学模型2 l 2 3 5 电机旋转部分的数学模型2 2 2 3 6 电机运动方程模型2 2 2 4 本章小结2 3 第三章无轴承永磁同步电机的结构参数设计与分析。2 4 3 1 无轴承永磁同步电机结构形式的确定2 4 3 1 1 定子槽数的确定2 4 3 1 2 绕组结构分布图2 4 3 1 3 电机转子结构2 5 3 1 4 槽形状的选择2 6 3 2 无轴承永磁同步电机主要结构参数的确定2 7 3 2 1 有限元法原理2 8 3 2 2 悬浮力与永磁体厚度、气隙长度之问的关系2 8 3 2 2 1 径向悬浮力公式推导2 8 3 2 2 2 永磁体厚度、气隙长度与单位径向悬浮力之l 、日j 的关系2 9 3 2 2 3 有限元分析与验证3 2 3 3 基于有限元的无轴承永磁同步电机原理分析与验证3 2 江苏大学硕士学位论文 3 3 1 无轴承电机悬浮原理验证3 3 3 3 2 悬浮力与绕组电流之间的关系3 4 3 4 本章小结3 6 第四章无轴承永磁同步电机的控制策略研究3 7 4 1 几种解耦控制方法3 7 4 2 转子磁场定向矢量控制与弱磁控制3 8 4 3 无轴承永磁同步电机控制策略4 0 4 3 1 无轴承永磁同步电机转矩控制策略( 轳- 0 控制) 4 0 4 3 2 无轴承永磁同步电机悬浮力控制策略4 1 4 3 3 控制器的设计4 4 4 3 4 控制系统仿真及结果4 5 4 4 本章小结4 6 第五章无轴承永磁同步电机直接位移控制数字系统设计4 7 5 1 无轴承永磁同步电机控制系统的硬件构成4 7 5 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字评估板电路4 8 5 1 2 功率驱动电路4 9 5 1 - 3电流信号检测及其反馈电路5 0 5 1 4 位移检测及其接口电路5 0 5 1 5 速度检测及其接口电路5 1 5 2 无轴承永磁同步电机控制系统软件设计5 2 5 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 调试环境简介5 2 5 2 2 时钟分配5 2 5 2 3 控制系统主程序流程图5 3 5 2 4 转矩绕组控制子程序5 4 5 2 5 悬浮力绕组控制子程序5 5 5 2 6 中断服务子程序5 5 5 3 实验结果与分析5 7 5 3 1电流环实验5 8 5 3 2 静止悬浮实验5 8 5 3 3旋转实验5 9 5 4 本章小结5 9 第六章总结与展望6 l 6 1 本文完成的主要工作6 1 6 2 需进一步研究的工作6 2 致谢 参考文献 攻读硕士学位期间发表学术论文。6 8 江苏大学硕士学位论文 图表说明 图1 1 主动磁悬浮轴承工作原理示意图2 图1 2 磁悬浮电机与无轴承电机结构示意图3 图1 3 无轴承电机的工业应用6 图2 1 无轴承永磁同步电机转子受力情况1 6 图2 2 洛伦兹力向量图1 7 图2 3麦克斯韦力向量图1 9 图2 4 转子偏心时气隙图2 0 图2 5 转子悬浮系统示意图2 3 图3 1两套绕组结构展开图2 5 图3 2 转子结构型式示意图2 6 图3 3定子槽型示意图2 7 图3 4电机结构参数示意图2 9 图3 5 民乏与永磁体厚度 m 之间的关系3 0 图3 , 6 乏与气隙长度面之间的关系3 0 图3 7 气隙磁密最与永磁体厚度j l m 之间的关系3 l 图3 8 样机结构示意图3 3 图3 9 磁力线分布图3 4 图3 1 0 转子受力矢量图3 4 图3 1l 转子圆周受力示意图3 4 图3 1 2 径向悬浮力与绕组电流关系示意图3 5 图3 1 3 理论计算值与有限元计算值比较3 5 图4 1 永磁同步电机定子a b c 坐标系与转子由坐标系的关系3 8 图4 2 机械特性4 0 图4 3电机转子偏心时的径向位移4 2 图4 4 气隙磁场向量图4 3 图4 5 无轴承永磁同步电机控制系统框图4 4 图4 6 无轴承永磁同步电机转速特性曲线图4 5 江苏大学硕士学位论文 图4 7 无轴承永磁同步电机电磁转矩波形4 5 图4 8 无轴承永磁同步电机转子位移曲线图4 6 图5 1 无轴承永磁同步电机硬件控制系统框图4 7 图5 2 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主芯片的评估板实物图4 8 图5 3 功率驱动电路主电路图4 9 图5 4 基于p s 2 1 2 6 5 的逆变器实物图4 9 图5 5 电流信号转换电路5 0 图5 6 位移接口电路原理图5 l 图5 7 光电编码器接口电路5 2 图5 8 系统主程序流程图5 3 图5 9 转矩绕组控制子程序5 4 图5 1 0 悬浮力绕组控制子程序5 4 图5 1 1i n t 2 服务子程序5 6 图5 1 2i n t 3 服务子程序5 6 图5 1 3i n t 4 服务子程序5 7 图5 1 4 数字试验系统连接框图5 8 图5 1 5 悬浮力绕组a 相给定电流及反馈电流波形( n = 1 2 0 0 r m i n ) 5 8 图5 1 6 转子x 、y 方向的位移波形5 9 图5 1 7x 方向的位移和转速，z 的实验波形5 9 表3 1 样机转子参数表3 2 表5 1时钟资源分配表5 3 表5 2 系统中断分配表5 5 江苏大学硕士学位论文 1 1 无轴承电机概述 第一章绪论 随着生产发展和科学进步，在高速高精度数控机床、涡轮分子泵、压缩机以 及飞轮储能等应用领域，对高速或超高速大容量电力驱动电机有了很大的需求， 同时生物工程、高新能源、半导体制造业以及医药卫生等领域也提出了大量要求 无接触液体传输的特殊电气传动技术。但是，传统的机械轴承传动方式不仅结构 复杂，而且难以维护，更主要的是难以实现高转速，因而制约着高速电机和高速 离心机械的发展应用。因此，要实现电机的高速和超高速可靠运转，必须解决转 子支撑的问题。 传统的高速电机定子与转子之间是通过机械轴承连接，存在机械接触，因 此在转子转动过程中存在机械摩擦，机械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力，使运 动部件受损，产生机械振动和噪声，而且会造成部件发热，降低机械轴承的使用 寿命，严重的会使电机的绕组发热，温升增大，从而降低效率，最终缩短电机的 使用寿命，同时也增加了对电机和轴承维护的负担。 为了克服高速电机中机械轴承性能的不足，近二十几年发展起来的磁悬浮 轴承，是利用磁场力将转予悬浮于空中，实现转子和定子之间没有任何机械接触 的一种新型高性能轴承，是集机械学、力学、控制工程、电子学和计算机科学于 一体的机电一体化产品。磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、不需要润滑和密封、 高速度、高精度、长寿命等一系列优点，近二十年来在能源交通、机械工业、航 空航天及机器人等高科技领域得到了广泛的应用。 磁悬浮轴承的研究主要有主动式( a c t i v e ) 、被动式( p a s s i v e ) 和混合式 ( h y b r i d ) 三种【1 1 。其中研究最广泛的是主动磁悬浮轴承。图1 1 表明了一个简 单磁悬浮轴承的工作原理示意图。传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控 制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一信号转换 成控制电流在执行磁铁中产生磁力从而使转子维持其悬浮位置不变。 江苏大学硕士学位论文 图1 1主动磁悬浮轴承工作原理示意图 传统的磁悬浮电机结构如图1 2 ( a ) 所示，1 2 ( c ) 为其横断面示意图。磁悬浮轴 承产生悬浮力实现转子的悬浮，电机产生转矩实现转子的旋转，转子五自由度悬 浮由两个径向磁悬浮轴承和一个轴向磁悬浮轴承来实现。虽然磁悬浮电机具有其 突出的优点，并且已经在多个领域获得了广泛的应用，但在实际的应用过程中， 传统的磁悬浮电机依然存在如下缺点： ( 1 ) 电机的输出功率难以进一步提高。电机功率的提高依赖于电机本身的 尺寸的增加( 轴向尺寸和径向尺寸) ，但是电机两端的磁悬浮轴承本身就占有一 定的轴向尺寸，电机轴向尺寸如果增大必然会降低转子的刚度和临界转速，如果 要想增加电机的输出功率，只能增加电机的径向尺寸。但是转轴径向尺寸的增大 受到材料机械强度的限制，这就导致提高电机的输出功率比较困难； ( 2 ) 磁悬浮轴承需要一定数量的励磁线圈、高性能的功率放大器和造价不 菲的传感器，导致磁轴承电机成本较高，这一系列的缺点和不足大大影响了磁轴 承支承的电机系统的使用范围和广泛应用。 磁悬浮轴承占有独立的轴向空间，使得磁悬浮电机的轴向利用率很低，而磁 悬浮轴承结构和交流电机定子结构具有一定的相似性，如果能把磁悬浮轴承中产 生径向悬浮力的绕组叠绕在电机转子绕组上，使两套绕组成为一个组件，且能同 时有效地控制电机转子的悬浮和旋转是最为理想的，无轴承电机正是基于这一设 想而提出的。无轴承电机的结构示意图如图1 2 ( b ) 所示，1 2 ( d ) 为其横断面示意 2 江苏大学硕士学位论文 图。电机径向磁悬浮轴承单元中两套绕组的磁场相互作用产生作用在转子上 的径向力，从而实现转子的可控悬浮。与传统的磁悬浮电机相比，该单元具有同 ( a ) 传统磁悬浮电机结构示意图 电机一一径向磁 悬浮轴承单元 电机一一径向磁 悬浮轴承单元 轴向 磁悬浮轴承 径向磋悬径向磁悬 葶铀承 电机 ，；蚰最 ( ”无轴承电机结构示意图 电机一一径向电机一一径向 磁悬浮轴磁悬浮轴 转向磋悬 浮轴承 轴向磁 悬浮轴承 ( c ) 传统磁悬浮电机磺断面示意图 ( d ) 无轴承电机磺断面示意图 图1 2磁悬浮电机与无轴承电机结构示意图 时产生旋转力矩和径向悬浮力的功能，因而磁悬浮电机中的用于支承转子的径向 磁悬浮轴承可以省去。为了实现电机转子在五个自由度上的悬浮，一般需要两个 电机径向磁悬浮轴承单元和一个轴向磁悬浮轴承构成无轴承电机f 2 卅。 脚 江苏大学硕士学位论文 与磁悬浮轴承支承的电机相比，无轴承电机具有以下优点 7 1 ： ( 1 ) 轴向空间利用率高，结构更加紧凑。无轴承电机中的转子轴向尺寸可 以设计得更短，从而提高电机的临界转速，而且转子的悬浮性能更加稳定； ( 2 ) 低功耗。无轴承电机中用到的线圈数量与磁悬浮电机相比更少，因此 需要的功放数量也相应减少，同时低功耗的三相逆变器应用到无轴承电机中，可 以显著地降低电机的功率损耗； ( 3 ) 高输出功率。在相同的轴向尺寸下，无轴承电机可以产生比磁悬浮电 机更大的驱动能力。 1 2 无轴承电机的发展概况与应用领域 1 2 1 无轴承电机的发展概况 2 0 世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需要用超高速离心分离方法生 产浓缩铀，电磁轴承能满足高速电机支承要求，于是在欧洲开始了研究各种电磁 轴承计划。1 9 7 5 年，p k h e r m a n n 申请了无轴承电机专利，专利中提出一种由 p 对极绕组和萨l 对极绕组相结合的双定子绕组结构，使其在电机中既可以产生 转矩又可以产生径向悬浮力。与此同时，美国学者m e i n k e 提出了另外一种分离 绕组的磁悬浮装置。1 9 8 8 年，瑞士学者r b o s c h 发明了具有轴向推力的薄片磁 悬浮电机，并首次提出了“无轴承电机”这个概念【2 1 。直到2 0 世纪8 0 年代后期， 瑞士联邦工业大学( e t h z ) 的j b i c h s e l 才首次制造出了无轴承同步电机样机【踟。 几乎与j b i c h s e l 同时，1 9 9 0 年r 本a c h i b a 首次实现了同步磁阻电机的无 轴承技术1 9 。1 9 9 1 年，苏黎世联邦工学院的r s c h o b 首次实现交流电机的无轴 承技术f 1 0 1 ，1 9 9 2 年，同本的茨城大学的yo k a d a 首次实现永磁电机的无轴承技 术【】。几乎与此同时，开关磁阻型无轴承电机和永磁型无轴承电机也相继研制成 功。1 9 9 5 年之后，无轴承电机的研究开始迈入实用化阶段。无轴承电机取得实 际应用，关键性突破是19 9 8 年苏黎世联邦工学院的n b a r l e t t a 研制出的无轴承 永磁同步薄片电机，其转子的3 个自由度由被动磁轴承来支承，大大降低了控制 系统的费用，并且已经发现在很多领域具有很大的应用价值( 屹】。2 0 0 0 年，s s l i b e r 研制了无轴承永磁同步单相电动机，再一次在无轴承电机研究历史上前进了一 步，减少了无轴承电机控制系统的费用，使得无轴承电机在实际应用中不仅仅是 可行的，而且是经济的【。3 1 。 4 江苏大学硕士学位论文 进入2 1 世纪以后，无轴承电机的研究取得了飞速的发展，提出了许多重要 的概念，初步形成了无轴承电机的基本理论。无轴承电机主要类型有：感应型无 轴承电机、永磁型无轴承电机、磁阻型无轴承电机以及其他混合结构型无轴承电 机。 目前，瑞士、日本、美国、法国和德国等均在大力支持开展无轴承电机技 术研究，研究重点集中于有关无轴承电机结构设计、特性分析及控制方式。无轴 承电机在今后相当长的时间内将是高速电机研究领域内的一大热点。 我国从2 0 世纪9 0 年代后期开始，在国家自然科学资金的资助下，南京航空 航天大学、浙江大学、西安交通大学、江苏大学及沈阳工业大学等单位先后开展 了无轴承交流异步电动机、无轴承开关磁阻电动机、无轴承永磁同步电动机和人 工心脏泵用无轴承电动机等的研究工作，并且在理论和实验方面取得了一些成 绩。沈阳工业大学研制了小容量永磁同步无轴承电机用于人工心脏血泵，他们在 不同类型转子结构无轴承电机转矩和悬浮力的比较【1 4 舶1 、考虑转子偏心下悬浮力 建模、分析上做出了贡献【1 7 1 ，还研究了混合转子无轴承电机及其控制【1 8 1 ；南京 航空航天大学在薄片式永磁同步电机【1 9 1 、无轴承电机的磁场定向控制【砒1 1 、计 及偏心及洛伦兹力的建模【2 2 1 、磁链观测及悬浮系统独立控, i j t 2 3 1 、五自由度悬浮 等诸多方面进行了广泛的研列2 4 】；西安交通大学则在无轴承电机控制上进行了 理论分析和仿真研刭2 5 】；浙江大学开展了感应型无轴承电机悬浮力解析建模和 优化气隙磁场定向控制研究，永磁型无轴承电机电磁设计及运行控制研究【2 睨引， 在无轴承永磁同步电机的完整数学模型、无传感器运行方面作出了一定的贡献 2 9 - 3 0 1 ；江苏大学在永磁型无轴承电机、无轴承异步电机及开关磁阻电机等方面做 了很多研究工作【3 卜3 4 1 。但要在中国实现无轴承电机的商品化、实用化，要走的路 还很长，我国尚未见有报道无轴承电机工业运行实验的例子。 1 2 2 无轴承电机的研究领域 无轴承电机不仅适合于高速电力传动应用场合，同时在超洁净和有毒恶劣环 境领域有着重要的应用价值，主要体现在如下方面： ( 1 ) 飞轮储能领域。飞轮储能是一种新型的储能技术。与化学蓄电池相比， 飞轮电池具有高能量、长寿命、快速充放电、无污染、免维护等特性。飞轮储能 技术在不问断电源、电力系统调峰、卫星姿控、混合动力机车等领域具有重大的 5 江苏大学硕士学位论文 应用价值。无轴承交流电机是这种高新技术的关键环节，随着这一关键环节的不 断完善，将推动基于高速飞轮储能的机电电池向能量更大、效率更高的方向发展。 ( 2 ) 生物医疗领域。在人工心脏泵中，利用机械轴承支承的血泵会产生摩 擦和发热，引起凝血和血栓，危机生命。苏黎世联邦工学院和l e v i t r o n i x 公司研 制成功的无轴承永磁电机驱动的血泵以及可移植到人体内的左心室辅助装置已 在临床中应用【3 5 3 6 】。 ( 3 ) 半导体工业领域。在半导体加工中，酸碱液以及有机溶剂等液体输送 是其中一个重要环节。无轴承电机密封泵内无微小污染颗粒，并能实时监测液体 的流量及压力，且无轴承电机速度可调，满足了精密半导体器件生产工艺的要求。 目前，功率为3 0 0 w 和8 0 0 w 的无轴承永磁电机密封泵已在半导体工业中得到应 用【3 5 硼。 矽、 ( a ) 心脏血泵( b ) 半导体制造领域应用 图1 3 无轴承电机的工业应用 2 0 0 8 年致力于无轴承电机实用化的风险公司m o t o rs o l u t i o n 在日本宣告 成立，该公司将首先投产用于半导体制造工厂中的超纯水泵的电机，该公司投产 的产品为东京理工大学a c h i b a 等学者研发的交替极型( c o n s e q u e n t - p o l e ) 无轴 承电机，此次应用于超纯水泵的是五轴控制的无轴承电机，其最高转速为 6 0 0 0 r m i n 、功率为1 2 k w 。 ( 4 ) 食品化工领域。在食品、化工领域，以及放射性环境、高温辐射等恶 劣环境中，使用无轴承电机密封泵，能解决机械轴承易磨损和维修难等问题，使 用无轴承密封泵是其最佳选择之一，同时可为产品安全及免遭污染提供保障。苏 黎世联邦工学院和s u l z e r 泵公司合作研制成了功率3 0 k w 的无轴承密封泵，进入 试运行阶段【3 5 。6 1 。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 机械领域。振荡阻尼：在传统机械轴承的转子系统中，当转子端部 受到外力作用时，转轴中部弯曲程度很大。采用无轴承电机后，径向力作用在转 子表面，转轴弯曲程度得到明显改善，其在机床主轴设计中独具优越性，机床的 加工精度随主轴的刚度提高而提高；机械轴承卸载：在大功率、重载使用场 合，可采用无轴承电机和机械轴承的组合系统。无轴承电机可承担大部分负载， 相应降低了机械轴承的负载，大幅度延长了机械轴承的使用寿命【3 7 1 。 1 3 无轴承永磁同步电机的研究现状和发展趋势 1 3 1 无轴承永磁同步电机的研究现状 2 0 世纪3 0 年代各国开始研制永磁同步电机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ，p m s m ) ，由于其具有结构简单、体积小、效率高等一系列优点，在工业 生产、民用等方面得到了广泛应用。将无轴承技术应用到永磁同步电机上，有利 于发挥其优点，使其在高速甚至超高速领域得到发展。 作为一种新型的电机，无轴承永磁同步电机的发展才经历了十几年，研究水 平还远远没有达到系统和完善的地步。国外的研究进程领先于国内，瑞士、日本、 德国、奥地利和美国等国家都大力支持开展这项高新技术的研究。日本的m o o s h i m a 、a c h i b a 、t o h i s h i 等人对无轴承表面叠装式永磁同步电机进行了研 究【3 8 4 2 1 。目前，对于永磁体表面叠装式无轴承永磁同步电机的研究，以日本的 m o o s h i m a 为主的课题组研究成果处于世界领先。美国的d a e g o nk i m 等人对这 种永磁电机也进行了基础研究【4 3 】。另外，同本的t o h i s h i 等人对永磁体内嵌式 无轴承永磁电机进行了研裂4 4 4 5 1 。奥地利的w a m r h e i n 等人对无轴承永磁无刷 方波电机的原理进行了研究【4 6 4 7 j 。 就应用方面而言，瑞士苏黎世联邦工学院( e t h ) 和l e v i t r o n i xg m b h 公司 对无轴承永磁同步电机的研究和应用保持世界领先水平【4 引。以j h u e g e l 教授领 导的课题组多年以来一直致力于开发实用的无轴承电机。根据无轴承电机的工作 原理，创造性地研制出了基于无轴承永磁同步电机的人工心脏泵( b l o o dp u m p ) 、 无轴承气泡反应床( b e a r i n g l e s sb u b b l eb e dr e a c t o r ) 、泵头可分离的离心泵 ( s e p a r a t e dd i s p o s a b l ep u m p ) 和泵头插入式离心泵( i n s e r t e dd i s p o s a b l ep u m p ) 等，取得了很好的经济效益和社会效益。 无轴承永磁同步电机主要有三种转子结构：表面贴装式、内嵌式和内埋式， 7 江苏大学硕士学位论文 由于永磁体具有和空气相同的磁导率，面贴式转子无轴承永磁同步电机的定子绕 组交直轴电感相同，内插式转子无轴承永磁同步电机中定子绕组的交轴电感要大 于直轴电感。 无轴承永磁同步电机是在永磁同步电机基础上实现了无轴承化的一种性能 优良的电机，继承了永磁同步电机的优良性能，并具备了磁悬浮轴承的特点。在 仅有三个控制自由度的应用( 包括泵类应用) 中，需要采用较强的励磁方式以建 立电机气隙磁场，此时，无轴承永磁同步电机较其它类型的电机具有更高的效率 4 6 1 。虽然无轴承永磁同步电机转子永磁体的存在使得电机的电气气隙宽度增加， 从而需要采用较大的悬浮力绕组电流，但是转矩绕组电流由于不再需要较大的励 磁分量而相应减小，因此，电机总的需求伏安( v a ) 数增加并不多。因此，无 轴承永磁同步电机具有更广阔的应用前景。 但无轴承永磁同步电机也存在很大不足：弱磁能力差、可控悬浮力小、难 以实现超高速运转。 目前，永磁型无轴承电机的主要研究工作集中在数学模型、控制系统设计 以及电机参数设计等分析和实验上。一般永磁型无轴承电机转矩系统采用转子磁 场定向控制；悬浮控制中，通过位移传感器和悬浮力模型，得到悬浮力绕组的控 制信号。这种控制方法可以实现永磁型无轴承电机稳定状态下的悬浮运转，但对 于负载突变、转速突变等工况，在动态过渡过程中仍无法保证良好的悬浮控制性 能，特别是对于内嵌式永磁型无轴承电机。因为内嵌式永磁无轴承电机等效气隙 相对较小，电感较大，在突加负载、转速突增时交轴电流增大，使其在气隙中产 生的磁链与转子磁链相互影响，致使电机动态悬浮性能变差。文献1 4 6 针对于此 提出了通