（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控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t ah 嘶i l g l e 鼹p e r m a n e n tm a g u e t - t y p es y n c h r o n 0 峭m o t o ri sh y b r i d so f m a g n e t i cb e a r i n g sa n d p e r m a n e n tm a g n e te l e c t r i cm o t o r t h er a d i a lf o r c ew i n d i n g sa i ew o u n dt o g e t h e rw i t hm o t o r w i n d i n g st op r o d u c er a d i a lf o r c e s t h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c k o n o m m o t o rh a s t h em e r i t so f s i m p l es 协l c t l i 鸭h i g hp o w e rf a c t o r , a b s e f mo ft h ee x c i t a t i o nw i n d i i l ga n dh i 曲e f f i c i e n c y w i t h t h e s ea d v a n t a g e s , t h eb e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e t - t y p e s y n c h r o n o u sm o t o rh a sw i d e l y a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nh i g ht e c h n i c a lf i e l d l i k es e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s ， b i o l o g i c 朗西n r i n g ，a s t r o n a u t i c sa n ds oo f f t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt oo l 删d e s i g na n dc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c ho f t h eb e a l i n g l e s s p e r m a n e n tm a g n e t - t y p es y n c h r o n o u sm o t o r ( b p m s 旧i n c l u d i n gs e t i n gu pm a t h e m a t i c sm o d e l , s i m u l a t i n gt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h eb p m s ma n dd e v e l o p i n gs o f t w a r eo f d l g i t a lc o n t r 0 1 f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo f t h eb e a r i n g l e s sa n dp r o d u c i n gr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e si n b p m s mi se x p o u n d e d , t h em a t h e m a t i cm o d e l so fr o t a t i o np a r t 锄dr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e so f b p m s ma d e d u c e d t h em o d e lo f b p m s mi ss t u d i e db yu s i n gf i n i t ee l e m e mm e t h o da n dt h e m o t o r sw o r kt h e o r yi st e s t i f i e d t h ed e m a g n e t i z a t i o no fp e r m a n e n tm a g n e t si sc o n s i d e r e d t h e m o s tc r i t i c a la mi nt h ep e r m a n e n tm a g n e t si sm a d ec l e a rf o rb o t ht o r q u ea n dr a d i a lf o r c e g e n e r a t i o n s t h er e l a t i o n s h i p sb e t w = 1 1t h ef l u xd e n s i t i e sa n dt h ec u r r e n t su n d e ral i m i t a t i o no f d e m a g n e t i z a t i o na r ea n a l y t i c a l l yd e r i v e d t h eb p m s m i sd e s i g n e do p t i m a l l y s e c o n d l y , b a s e do nt h em a t h e m a t i c sm o d e l sa n dt h ec o n b o ls t r a t e g y , c o n t r o ls y s t e mi s c o n s t r u c t e du 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 es t a r t u pp e r f o r m a n c e so fr o t o rs u s p e n s i o na l s i m u l a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a tr o t o rc a ns u s p e n s i o ns m a d l i y , t o r q u ea n dr a d i a l s u s p e n s i o ns u b s y s t e m sc a no p e r a t ei n d e p e n d e n t l y f i n a l l y , t h es o f t w a r eb a s e do nt h ed i g i 乜lc o n t r o ls y s t e mu s i n gt m s 3 2 0 l f 2 a 0 7 a i sd e s i g n e d a n dt h ef l o w c h a r t so fc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h ma i p r e s e n t e d b a s e do nt h ep r o t o t y p eo f2 d e g r e e so f f r e e d o m s e a r i n g l e s s p e r m a n e n t m a g n e t - t y p e s y n c h r o n o u s m o t o r ，t h e s o f t w a r e h a v e b e e nd e v e l o p e da n dd e b u g g e d , a n dt h ee x p e r i m c ! | i tr e s u l t sa l eg a i n e da n da n a l y z e d 脚o r d s ：b p m s m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , c o n t r o ls t r a t e g y , d i g i t a lc o n t r o l e r o j ts u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( 5 0 2 7 5 0 6 7 ) 江苏大学硕士学位论文 图表说明 图1 1 磁轴承支承的电机结构示意图2 图1 2 无轴承电机结构示意图 图1 3 功率4 k w 无轴承永磁电机 图1 4 直流电无轴承泵系统“ 图2 1 麦克斯韦力一 2 4 图2 2 无轴承电机中的麦克斯韦力 图2 3 无轴承电机中的洛仑兹力 图2 4 径向悬浮力产生原理 图2 5 坐标转换 图2 6 转子悬浮系统运动方程 图3 1 样机示意图 图3 2 永磁电机转矩磁场分布 图3 3 径向力磁通分布 图3 4 径向力分布图 图3 5 转子x 方向上的径向力” 图3 6 转子y 方向上的径向力 图3 7 回复线 图3 8b h 和i - h 曲线“ 图3 9 转矩电流去磁。 图3 1 0 径向力磁通分布一 图3 1 l 转矩和径向力磁通 图3 1 2 关键区域磁通分布 图3 1 3 空载气隙磁密 “l l 1 2 1 3 18 2 3 “2 3 “2 3 ：2 4 ：z 4 ”2 5 ”2 5 “2 6 “2 6 图3 1 4 电机绕组磁动势m m f ” 图3 1 5 转矩电流作用下的磁通密度 图3 1 6 转矩电流最大值一 图3 1 7 电流作用下的磁通密度 图3 1 8 电流最大值“ 2 8 3 0 3 0 3 l 3 1 江苏大学硕士学位论文 图3 1 9 有限元分析优化流程- 3 2 图3 2 0 电机材料输入模型3 2 图3 2 1 电机模型参数输入分析界面 3 3 图3 2 2 径向力和悬浮绕组电流关系3 4 图3 2 3 径向力和永磁体厚度的关系 图3 2 4 径向力分布图 3 4 图3 2 5 转子偏心磁力线图3 5 图3 2 6 单边磁拉力与转子位移曲线图3 6 图3 2 7 不同电流条件下悬浮力和偏心位移的曲线3 6 图3 2 8 转矩与转矩绕组和悬浮绕组数的关系 图3 2 9 径向力与转矩绕组和悬浮绕组数的关系 3 7 图4 1 无轴承电机转子与电子结构图“3 9 图4 2 四自由度无轴承电机结构 图4 3 转子受力分析 3 9 4 0 图4 4 四自由度无轴承永磁同步电机控制系统4 2 图4 5 四自由度无轴承永磁同步电机的仿真系统图4 3 图4 6 无轴承永磁同步电机旋转模型 图4 7 空载转速” 4 4 4 4 图4 8 空载转矩4 4 图4 9 无轴承永磁同步电机负载转速” ”4 4 图4 1 0 无轴承永磁同步电机电磁转矩4 4 图4 1 l 电流给定和跟踪波形4 5 图4 1 2 滞环比较完全跟踪电流波形4 5 图4 1 3 离心力的计算” 图4 1 4 悬浮绕组控制模型 4 5 4 6 图4 1 5x 轴、y 轴位移图 图4 1 6 稳定后的x 轴、y 轴位移图一 4 6 4 7 图4 1 7 矗j ，轴位移曲线图“4 7 图4 1 8 转子的轴心轨迹图” 江苏大学硕士学位论文 图4 1 9 加扰动负载后的位移 图4 2 0 善z 和j ，z 坐标中的刚性转子” 图4 2 l 基于陀螺力矩的刚性转子模型“ 图4 2 2 基于陀螺力矩的双无轴承永磁电机单元径向力部分模型4 9 图4 2 3 x 轴、y 轴位移图 图4 2 4 稳定后的苫、y 轴位移图 图4 2 6 转子的轴心轨迹图 图5 1 主程序流程图 图5 2i n t l 中断子程序流程图 图5 3i n t 4 中断子程序流程图“ “5 0 ”5 0 图5 4i n r 3 中断流程图 图5 5 转矩绕组控制图 图5 6 悬浮绕组控制图 图5 刁转矩绕组a 相给定电流及反馈电流波形” 图5 8 位移传感器接口电路测试波形 表3 1 样机结构参数 表5 1 系统中断分配表 - - 5 4 5 4 5 5 “5 5 ”5 6 ”5 6 6 0 6 1 ”1 7 “5 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名： 喜敞 签字日期：p q - ，6 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：茸吐托 导师签名：名哆水 签字日期：沙叶b 7 电话： 邮编： 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已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： 日期：加。1 年易月铂 童淞 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无轴承电机的研究背景 随着科学技术的发展进步，现代化工业生产对拖动电机的性能要求越来越 高，其中一个显著特点就是高速电机的广泛运用，特别在高速机床、涡轮分子泵、 离心机、高速飞轮等领域。 传统电力拖动系统中电机的转予是用两个机械轴承来支撑，电机高速运动过 程中机械轴承带来的摩擦阻力的增加，轴承的磨损，机械振动和噪声的产生，造 成电机发热，从而降低电机的效率，缩短电机的使用寿命。因此，用机械轴承支 承高速电机严重制约着电机的应用发展，同时也增加了电机和轴承维护的负担。 为了克服机械轴承性能的不足，高速电机一般采用气浮、液浮和磁轴承。其 中气浮和液浮轴承均需要配备专门的气压、液压系统，这不仅使电机的结构复杂、 体积庞大、耗能多、效率低，同时气压、液压系统的故障会使气浮、液浮轴承失 效，从而导致电机无法正常运行，这同样降低了电机和系统的可靠性。近几十年 发展起来的磁轴承具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精度、长 寿命等一系列优良特性，因而从根本上改变了传统的支撑形式，在能源交通、机 械加工工业、航空航天及机器人等高科技领域得到了广泛的应用【l - 6 1 。 传统的磁轴承支承的电机结构如图1 1 所示，要完全悬浮需要在径向用两个 磁轴承来支承，同时还需要一个轴向磁轴承控制轴向位移，因而磁轴承占有较大 的轴向长度，从而降低了转子的临界转速，这就导致电机功率的提高主要依赖径 向尺寸的增加，而转轴径向尺寸受机械强度的限制，同时径向尺寸增加势必使磁 轴承体积增大。另外，磁轴承需要高性能的功率放大器和造价不菲的传感器，导 致磁轴承结构复杂和成本较高，这一系列的缺点和不足大大影响了磁轴承电机的 使用范围 2 - 6 1 。 无轴承电机( b e a r i n g l e s sm o t o r ) 是把传统的电机转矩绕组和附加的径向力 绕组固定在同一个定予上，通过控制产生悬浮力，即同时具有了电机和磁轴承的 功能。无轴承电机结构示意如图1 2 所示，它利用磁轴承与电机结构的相似性， 将悬浮控制绕组和转矩控制绕组一起叠绕在电机定子内部：与传统磁轴承支承的 电机相比，该电机具有同时产生旋转力和径向悬浮力的功能，可以省去支承转子 的径向磁轴承，在空间利用率和电磁效率都有所提高。如果电机输出功率相等， 无轴承电机由于轴长比传统磁轴承支承的电机短，从而可以使电机高速工作。相 反，如果轴长相等，无轴承电机能取得更大的功率。同时，无轴承电机还可以使 悬浮控制的线圈匝数和变换器简单化，从而降低成本。特别适用于能源交通、航 空航天等大功率、微小型、高速领域，具有重要积极的意义。 对于一个转予系统，若要实现其稳定悬浮，必须对转子的五个自由度进行控 制，使得这五个自由度均稳定。对于无轴承电机来说，转子的悬浮同样要求五个 图i i 磁轴承支承的电机结构示意图图1 2 无轴承电机结构示意图 自由度均稳定。由于单个无轴承电机单元只能控制两个自由度，所以结合无轴承 电机自身的特点，无轴承电机可以由两个无轴承电机和一个轴向磁轴承单元组 成，也可以由一个二自由度无轴承电机单元加一个三自由度径向轴向混合磁轴承 组成。 无轴承电机除了具有磁轴承的各种优点外，而且无轴承电机比磁轴承支撑的 电机结构更加紧凑，结构更加简单，大幅度缩短了轴向长度，提高了轴向利用率， 为研究大功率、特种新型电机提供了设计空间。 1 2 无轴承电机的发展及现状 2 0 世纪后期，为了满足核能的开发和利用，需要用超高速离心分离方法生 产浓缩铀，磁轴承能满足高速电机支撑要求，于是在欧洲开始了研究各种磁轴承 计划计划用超高速离心分离的方法生产浓缩铀，只有磁悬浮轴承能满足这个要 求。磁轴承技术即是利用磁场力将转子悬浮起来，实现了转动过程中转子和定子 之间的无接触支承，从而消除了机械接触，从根本上改变了传统的支承形式。1 9 7 5 年，德国的p k h e n n a n n 申请了无轴承电机专利，专利中提出了一种具有定子 2 江苏大学硕士学位论文 双绕组结构的电磁装置，这种电磁装置就是具有径向磁轴承功能的电机，电机绕 组极对数和悬浮绕组极对数的关系为士l 。用p i ch e n n a n n 提出的方案，在那个 年代是不可能制造出无轴承电机的。美国的p m e i n k e 也提出了电机具备转子转 动和磁悬浮功能的构想【_ ”，然而，由于逆变器技术、数字信号处理技术及电机磁 场定向控制技术在那时发展还很不成熟，因此，要实现这种构想的电机是不可能 的。1 9 8 5 年，日本的t h i g u c h i 提出了具有磁轴承功能的步进电动机，具备转矩 和径向悬浮力解耦控制环节 a l ；1 9 8 8 年，瑞士的i lb o s c h 提出了一种能同时产 生径向悬浮力的薄片电机，首次使用了无轴承电机这个概念 9 1 。瑞士苏黎世联邦工 学院在开展磁轴承和无轴承电机研究和应用方面，其水平一直处于世界领先地 位。自2 0 世纪8 0 年代后期，电气工程与设计实验室主任j h u g e l 教授领导下的 课题组长期致力于磁悬浮无轴承电动机理论和应用研究【1 0 1 。从2 0 世纪9 0 年代 以来，无轴承电机得到迅速的发展，在一些特殊领域已开始使用。1 9 9 0 年，j b i c h s c l 研制出世界第一台无轴承永磁同步电动机样机；1 9 9 6 年，1 ls c h o e b 实现 了交流异步电动机的无轴承技术。关键性突破是1 9 9 8 年n b a r l e t t a 研制了无轴 承永磁薄片电机，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 统费用，并且已经发现在很多领域具有很好的应用价值。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。 除瑞士苏黎世联邦工学院大力开展无轴承永磁同步电机的研究工作外，日本 和美国也开展了广泛的研究。日本在a c h i b a 、m o o s h i m a 和yo k a d a 教授等 学者带领下，研究了磁阻电动机、交流异步电动机、永磁同步电动机等无轴承技 术。日本学者a c h i b a 及加拿大学者r a h m a n 等较早的研究了无轴承电机的基本 特性，推导出了径向力的解析公式，并且通过实验成功实现了无轴承感应电机空 载时的悬浮控制 1 1 - 1 2 l 。m o o s h i m a 等学者研究了无轴承永磁电动机的控制，还 应用磁场计算的方法分析了无轴承永磁同步电机的稳态磁场分布，并研究了无轴 承永磁型电机的磁饱和及永磁体退磁问题【”6 】。最新的研究成果完成了对功率为 4 k w 、转速为1 10 0 0 r r a i n 的表面凸装式无轴承永磁同步电机实验样机的研制， 该样机为4 自由度，仅能连接轴向共性负载【切。此外，美国的d k i m 等、奥地 江苏大学硕士学位论文 利的w a m r h e i n 等也对无轴承永磁电机进行了基础研究 1 8 - 1 9 】。 目前交流电机矢量控制技术、数字信号处理技术等技术比较成熟，我国也开 展磁轴承和磁悬浮列车研究多年，积累了大量实践经验，为推动研究无轴承电机 奠定了基础。从2 0 世纪9 0 年代后期开始，江苏大学、南京航空航天大学、沈阳 工业大学、浙江大学等单位先后得到了国家自然科学基金的资助，开展了人工心 脏泵、无轴承交流异步电机、无轴承开关磁阻电机、无轴承永磁同步电机等方面 的研究并且在理论和实验方面取得了一定的成绩。江苏大学和苏黎世联邦工学院 共同开展对4 k w 无轴承永磁同步电机的研究和应用工作，解决了传感器检测、 降低功率损耗等关键技术问题，4k w 的无轴承电机很快就会在化工工业、半导 体工业得到应用，如图1 3 所示。 无轴承电机在一些高新技术领域具有技术和经济优势，在需要免维修、长寿 命运行、无菌、无污染以及有毒有害液体和气体的传输等场合，是无轴承电机典 型的应用场合，是传统电机无法实现和替代的。目前，无轴承电机已在半导体工 业、化学化工、生物工程、生命科学等领域得到了很好的应用。目前，瑞士苏黎 世联邦工学院电气工程与设计实验室( e e k ) 和s u l z e r 泵公司合作完成了磁悬浮 无轴承电机和磁轴承共同支承和驱动的功率为3 0 k w 的密封泵样机研制和测试 工作。这种泵能对转子的位置、轴承的负载和泵的温度等进行实时监控，具有安 全运行的自保护装置。瑞士苏黎世联邦工学院和l e v i r t o n i x 公司成功研制了由无 轴承永磁电机驱动的体积小、重量轻的血泵和可以移植到人体内的心脏左心室辅 助装置，目前已经在临床中应用。图1 4 所示为在半导体工业上应用的无轴承电 机泵系统。 图1 3 功率4 k w 无轴承永磁电机图1 4 无轴承电机泵系统 4 江苏大学硕士学位论文 1 3电机电磁场有限元法的发展 3 0 - 3 1 】 电机是一种电磁能和机械能的转换装置。为了实现机电能量转换，旋转电机 在结构上必须具有下述三个系统：( 1 ) 机械系统，包括定子和转子。定子固定 不动，转子轴与外部原动机或机械负载相连接，用以实现机械能的输入或输出。 ( 2 ) 电系统，即定、转子上有直流或交流绕组。绕组与外部电源或用电负载相 联，用以实现电能的输入或输出。( 3 ) 磁系统，其磁路包括定、转子上导磁铁 心和工作气隙。旋转电机中磁场能主要贮存在气隙之中，气隙磁场可由电流激励 或永久磁铁建立，它是机电能量转换的媒介。 传统的电机电磁参数、运行性能分析与计算都是在一定的简化条件下进行 的，然而，随着新型电机的出现与不断发展，对传统电机的分析和计算方法提出 了新的要求和挑战。因此需要寻找一种准确、可靠和有效的分析方法。 基于电磁场数值计算基础之上的电机运行性能分析是目前世界上受到广泛 重视和深入研究的一种方法。从2 0 世纪7 0 年代中期开始，随着计算机性能的提 高和新的计算方法的不断涌现，在电机运行分析中出现了一个崭新的研究领域一 电机电磁场数值分析方法。它的出现为大容量、高性能、特殊结构和特殊材料电 机的设计、电磁参数的计算、运行性能的分析开辟了新的途径。这主要因为以下 两个原因：第一，电机电磁场的数值计算可以从定量的角度解决经典电磁学等无 法解决的复杂计算问题，在对实际问题的计算上可以得到相当高的精度，适应了 实际工程应用的需要；第二，随着计算机技术的迅猛发展、应用与普及，数值计 算方法的成本大大降低，效率却大大提高，便于推广应用。电机内电磁场的数值 分析的种类很多，其中，有限元法占有绝对主要的地位，应用范围最为广泛，而 且有限元法的这种优势也越来越显著。 有限元法的思想最早是应用于力学计算中，是由c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出的， 而有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 简称f e m ，这个名称是由c l o u g h 于1 9 6 0 年在其著作中首次提出的。由于其依据的理论具有普遍性，已被推广并成功应用 于电气工程的各个领域，是求解电磁场问题的最实用方法之一。w m s l o w 首先用 有限元法来分析加速器磁铁的饱和效应。而电机内的电磁场问题的第一个通用非 线性偏微分方程表述则是由es l i v e r s t e r 和m vk e h a r i 于1 9 7 0 年提出的。此后 有限元法得到了快速的发展，并在各种实际问题中得到应用。2 0 世纪8 0 年代提 江苏大学硕士学位论文 出来的b 有限元法保证了解的高精度，也保证了与物理场特性一致的场量数值 解的连续性，由于数值处理技术的发展，使得有限元法在电机电磁场计算中占据 着主导地位。有限元法对场域的划分比较灵活，对不规则的边界形状处理也很方 便，对复杂边界的适应性、高阶近似的扩展性、自然边界条件和交界条件可自动 满足。由a b o s s a v i t 和j c n e e d e l e c 开创的棱边有限元法，在交界面处理、解 的稳定性和计算代价等方面显示了巨大的优势。此外，特别是2 0 世纪9 0 年代初 以来，国际上对三维涡流场的表述、规范和唯一性等问题，从理论到实际计算都 得到了解决。有限元可有效处理非线性材料特性( 如铁磁饱和特性) 和涡流，瞬 态涡流场和非线性问题计算的解的稳定性和精确度都比较高。基于有限元法开发 的软件，对于范围广泛的问题，可以有效地建模、求解以及后处理。这使得有限 元法成为很多c a e 软件的基础。 国际上大型的有限元分析程序主要有a n s y s ，a n s o f t ，n a s t r a n ， a b a q u s 。a d i n a , a l g o r 等。a n s y s 是由世界上最大的有限元分析软件公司 之一的美国a n s y s 开发的经典c a e 工具，在现代产品设计中广泛使用。a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。 它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o - e ，a u t o c a d 等，是 现代产品设计中的高级c a d 工具之一。在本课题研究中，采用的就是美国 s w a n s o na n a l y s i ss y s t e mi n c 公司生产的a n s y s8 0 有限元分析软件用于对无轴 承永磁同步电机内部磁场进行分析计算和优化设计。 1 4 本课题研究意义 无轴承电机在高速、超高速电机发展领域受到了国内外众多专家学者的广泛 关注。在高速机床、涡轮分子泵、高速飞轮等设备中需要高速和超高速电机来驱 动，用机械轴承支承时，由转子高速运行带来的摩擦阻力增加，使轴承磨损加剧， 造成电机气隙不均，绕组发热，不仅降低电机工作效率，缩短电机和轴承使用寿 命，也增加了对电机和轴承维护的负担。丽无轴承电机转速可以做得转速很高、 功率也可以很大，具有无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精度、长 寿命等一系列优良特性，从根本上改变了传统的支承形式。无轴承永磁同步电机 相对于其他类型电机来讲有体积小、重量轻、效率高、功率因数高、结构简单、 6 江苏大学硕士学位论文 可靠性高等一系列优点，因此受到了广泛的重视和研究。 目前关于无轴承电机的电磁场有限元分析这一块的研究还不是很多。国际上 主要有日本的ac h i b a 、m o s h i m a 等人的无轴承电机课题组对转矩绕组尸旷2 和悬浮绕组p b = i 的无轴承永磁同步电机进行了样机和考虑永磁体退磁的转子设 计有限元分析 1 5 - 1 6 ，还有对转矩绕组尸旷2 和悬浮绕组p b = i 的无轴承磁阻电机 进行了基于饱和效应的径向悬浮力的有限元分析刚。国内主要有南京航空航天 大学、江苏大学、沈阳工业大学和浙江大学利用a n s y s 、a n s o f t 软件对无 轴承电机进行了相应的有限元分析 3 6 - 4 0 1 。但利用有限元分析对转矩绕组尸萨2 和 悬浮绕组p u = 3 的无轴承永磁同步电机进行样机设计的相关科研文章却很少。因 而，利用有限元分析软件，对样机进行优化设计具有重要意义。 对于一个完整的无轴承永磁同步电机来说，若要实现其稳定悬浮，必须对其 五个自由度进行控制。对于单个无轴承永磁同步电机单元来说，只能控制两个自 由度，所以要使用两个无轴承永磁同步电机单元使其四个自由度均稳定，再加一 个轴向磁轴承就可以实现转子的五个自由度稳定。但对两个无轴承永磁电机单元 控制时，无轴承永磁同步电机控制系统是永磁同步电机实现无轴承化的核心和关 键，控制算法和控制系统的性能直接决定了无轴承永磁同步电机能否可靠工作。 由于转子质量的不平衡会导致沿旋转方向的振动，采用何种合适的控制策略，如 何考虑两个无轴承电机单元之间的连轴控制，提高系统的可靠性，降低系统成本 也是无轴承永磁电机高性能矢量控制的难点所在，要使得无轴承电机能够在高转 速下稳定运行还需要做进一步的研究。 因此，随着新材料的应用，设计出好的样机，采用先进的控制策略和可靠的 数字控制技术来控制无轴承永磁同步电机，必将对生命科学、半导体工业、机械 工业、机器人及航空航天等领域产生巨大的影响。虽然无轴承永磁同步电机作为 一种新型的电机，发展才经历几年时间，研究水平还没有达到系统和完善的地步， 但是其研究的进程是飞速的，特别是无轴承永磁同步电机心脏泵已成功应用，无 轴承电机驱动的密封泵己用于生物化工等领域。为此，展开对无轴承永磁同步电 机进一步的研究和应用具有深远的意义。 7 江苏大学硕士学位论文 1 5 本文研究内容 1 5 1 论文工作的提出 本文由国家自然科学基金( 5 0 2 7 5 0 6 7 ) 和江苏省高新技术研究项目 ( b g 2 0 0 1 0 2 9 ) 等支持，着重研究无轴承永磁同步电机内部磁场分柝、优化设计和 控制系统等研究。从数学模型来看，无轴承永磁电机是一多变量、强耦合、非线 性的复杂系统。首先，从研究无轴承电机的基本理论开始，分柝无轴承永磁同步 电机产生径向力的机理并建立其数学模型；其次，利用a n s y s 软件对无轴承永 磁电机内部磁场进行有限元分析及优化设计；再次，对四自由度无轴承永磁电机 进行控制系统研究仿真；最后，对两自由度无轴承永磁同步电机系统进行数字控 制。 1 5 2 论文的内容安排 本文的研究工作主要包括以下几部分内容： 第一章介绍了无轴承电机的发展概述，及其特性和研究中存在的问题，然后阐 述了无轴承永磁同步电机在我国的研究和应用前景，最后提出课题的工 作和论文内容安排。 第二章首先介绍了无轴承电机中的电磁力，接着分析了无轴承永磁同步电机径 向力产生的机理。在此基础上，推导出无轴承永磁同步电机数学模型， 得出了径向力和电流之间的关系。 第三章根据所设计的样机参数，基于a n s y s 有限元分析软件，对无轴承电机 悬浮原理进行验证，并基于永磁体退磁对转子进行设计分析。并对无轴 承永磁同步电机的绕组、永磁体、转矩和径向力进行优化设计设计。 第四章采用磁场定向的白= 0 控制方法对四自由度无轴承永磁同步电机进行解 耦控制，利用第二章推导的相关数学公式在m a t l a b s i m u l i n k 给控制系 统进行建模，在考虑转子不平衡补偿和陀螺效应基础上对控制系统进行 仿真，得出了动静态性能较好的电机特性曲线图和径向位移图，仿真结 果表明该控制系统的解耦控制是有效的。 第五章阐述了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器的实验系统的软件框架和软件设计 思路，详细介绍了d s p 中各个功能模块在控制算法中的运用。对软件 8 江苏大学硕士学位论文 进行调试并得出部分实验结果并给出相应的分析。 第六章总结了全文内容，给出了需要进一步的研究工作。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承永磁同步电机工作原理及数学模型 2 1 引言 要实现无轴承永磁同步电机转子的稳定悬浮，首先必须分析无轴承电机的工 作原理，建立电机的数学模型，然后根据径向力产生机理和电机的数学模型采取 有效的控制策略来控制电机转子的径向位移。 本章首先给出了无轴承永磁同步电机的基本结构，然后分析了电机中电磁力 的类型，并分析了无轴承永磁同步电机可控径向力产生机理，然后以电机旋转绕 组为2 对极，径向力绕组为1 对极为例，推导了径向力和径向力绕组电流关系， 并通过对转矩和径向力之间的解耦来实现转子的旋转和稳定悬浮的独立控制，建 立采用转子磁场矢量控制的电机数学模型。 2 2 无轴承电机中的电磁力 在普通旋转电机中，定转子之间存在着两种不同的磁力：洛伦兹力和麦克斯 韦力。洛伦兹力是电机旋转磁场对载流导体作用产生的切向力，其结果是产生电 磁转矩。麦克斯韦力是由于磁场作用下，磁路中不通磁导率介质( 如铁心和空气) 之间产生的相互作用，其结果是产生作用在转子上的径向磁拉力。麦克斯韦力与 气隙内磁感应强度的平方成正比，与气隙长度的平方成反比，因而，麦克斯韦力 具有负刚度系数。当转子和定子同心的时候，电机中磁通是对称分布的，其麦克 ( a ) 转子位于中心 ( b ) 转子偏心 图2 1 麦克斯韦力 斯韦力合力为零，如图2 1c a ) 所示。但考虑到电机在实际运行过程中，很难 l o 江苏大学硕士学位论文 保证电机转子和定子有很好的同心度，所以当转子偏离了电机定予中心时，会引 起电机磁通分布的不均匀，从而使作用在转子表面的麦克斯韦力合力不为零，其 作用方向和转子偏心方向一致，这就是电机理论中的磁张力效应如图2 1 ( b ) 所示。转子的偏移量越大，磁张力也越大。 ( a ) 善方向 ( b ) y 方向 图2 2 无轴承电机中的麦克斯韦力 无轴承电机中转矩绕组和径向悬浮绕组之间的电磁作用如图2 2 所示。其中 n 尸1 ，p b = 2 。图2 2 ( a ) 中，径向悬浮绕组产生4 极旋转磁场，转矩绕组产生2 ：极旋转磁场。在转子右侧的气隙中，两极磁场与四极磁感应强度方向相同，磁场 毫 相互叠加，使得右侧气隙内的磁场增强；而在左侧的气隙中，两极磁场与四极磁 场方向相反，叠加的结果使得左侧气隙中的磁场减弱，麦克斯韦力的合力指向磁 场增强的方向，为指向x 轴的正方向的径向力。同理，在图2 2 ( b ) 中，二极 磁场在转子上方的气隙中增强了四极磁场，使得转予上方气隙中的磁感应强度增 加；转予下方的磁感应强度减小，麦克斯韦合力的方向y 轴正方向的径向力。 通过径向位置负反馈控制，根据转子位置来调节旋转磁场的大小和方向，就能够 实现转子的悬浮控制。 无轴承电机中除麦克斯韦合力产生径向悬浮力外，径向悬浮力绕组中的电流 也会受到洛伦兹力( l o r e n t z ) 的作用，不过由于两套绕组极对数关系的限制( 除 异步电机外) ，这个力不会产生阻转距，仅仅构成径向悬浮力的一部分。图2 3 是电机绕组极对数p k = 1 ，悬浮力绕组极对数p b = 2 ，分别产生沿x 或y 方向的 洛伦兹力的示意图。 当p b = 附1 时，无轴承电机径向悬浮力绕组通电后，转子所受的径向力合 力为麦克斯韦力和洛伦兹力之和；当p b = 尸矿l 时，这两个力的方向相反，则径 江苏大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图2 3 无轴承电机e e 的洛伦茧力 向力合力麦克斯韦力减去洛伦兹力之差。一般来说麦克斯韦力在径向力中占主要 部分，而洛伦兹力所占比重小的多，其表达式可写为： 瓦= k = ( 吒) t ( 2 1 ) 0 = b = ( 吒k ) ( 2 2 ) 式中r 、，0 分别是径向力绕组产生的径向力在x 轴和y 轴方向的分量；岛径 向力电流刚度；珏一洛伦兹力常数；b 厂一麦克斯韦力常数；& 、是转子磁场 定向的旋转坐标系中d 轴和q 轴的电流分量。 根据电磁场理论，当电机转子偏心时，电机转子还受到和偏心位移成i e l k , 的 麦克斯韦力的作用，这是一个固有的力，其表达式为： 乡2 善 ( 2 3 ) 【勺= 屯y 其中t = 惫了r r 万l b 2 ，称径向力位移刚度，蹒气隙长度，x 、y 为径向位移偏移量， k 为衰减因子，仅与电机结构有关。 根据上面的分析可知，无轴承电机转子所受的径向力为： 阡“剃胡 泣4 ， 2 3 无轴承永磁同步电机工作原理 无轴承电机利用磁轴承结构与电机结构的相似性，将磁轴承中产生径向力的 绕组与电机绕组一起嵌入到电机定子槽中，从而在定子槽中具有了两套不同极对 数的绕组：转矩绕组( 极对数为，0 ) 和径向力绕组( 极对数为e s ) 。旋转力矩 江苏大学硕士学位论文 由电机绕组电流产生，工作原理和普通电机一样，径向力绕组的引入，打破了电 机原有旋转磁场的平衡，导致气隙磁场密度的不平衡，从而产生径向力成功的将 转子悬浮。径向力磁通和产生转矩的电机磁 通一样也都存在于无轴承电机磁场中。只要 径向力绕组极对数与电机绕组极对数p _ | l f 保证两者之间的关系满足：p b = p 壮1 。且两 套绕组生成的磁场旋转方向一致以及电流 频率厂一致，电机就能够产生可控的径向力。 图2 4 是无轴承永磁同步电机径向悬浮 力产生原理图，电机的极对数p 旷2 ，径向 力绕组的极对数p f l 。附加二极径向力绕 图2 4 径向悬浮力产生原理 组版和m 与普通四极电机的绕组忆和一起叠压在定子槽内，通过二极径向 力绕组电流所产生的磁通打破永磁体产生的四极气隙磁通的平衡来产生径向力。 例如，如果径向力绕组帆中通过如图2 3 所示方向的电流，则产生两极磁通，导 致在气隙2 处磁通密度增加，气隙1 处磁通密度减小，从而产生沿x 轴负方向的 径向力，使转子向负方向偏移；如通以相反方向的电流，则会产生一个沿x 轴正 方向的径向悬浮力。用同样的方法可以分析，在绕组风中通以电流，会产生一 个沿y 轴方向的力，因此在基于电机励磁磁通的基础上，通过控制肌和肌中的 电流就可以控制径向力的大小和方向l i ”。 2 4 无轴承永磁同步电机数学模型 2 4 1 旋转运动基本方程式 分析正弦波电流控制的调速永磁同步电机最常用的方法就是d - q 轴数学模 型。它不仅可以分析正弦波永磁同步电机的稳态运动性能，也可以分析电机的瞬 态性能 2 6 , 2 7 。 为了建立正弦波永磁同步电机的数学模型，首先假设： ( 1 ) 忽略电动机铁心的永磁饱和： ( 2 ) 不计电动机的磁滞和涡流损耗； ( 3 )电动机的电流为对称的三相正弦电流。假设电机是线性的，电机参数 不隧温度等外界条件变化而变化等，并假设气隙磁密不饱和且忽略电 机绕组漏感 按照坐标变换原理，将a ，b ，c 转换到钛g 同步旋转坐标系下，并用p 表示 微分算子，则定子电压方程变换为： 基于d - q 坐标系下的永磁同步电机定子磁链方程为： = 厶屯+ 髟 ( 2 6 ) = 厶 ( 2 7 ) 结合上面的方程，得出永磁同步电机电压方程 三麓：嚣：爱；：抬f 【= r + 以+ q 乞+ q 巧 ”一 在不考虑定子磁链的谐波成分，并采用非功率不变形式的空间矢量变换，电 磁转矩在d - q 坐标系下的变量表示为： z = ( 一屯) = 吩+ (