（电力电子与电力传动专业论文）无轴承同步磁阻电机基础理论与试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u p e rh i g hs p e e dd r i v e sf o rm a c h i n et o o l s ，f l y w h e e l s ，t u r b o m o l e c u l a rp u m p s ， c o m p r e s s o r sa r er e q u i r e du r g e n t l ys i n c et h ef i f t i e so ft h e2 0 t hc e n t u r y , t h en a i s s a n c eo f b e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o ri sd e m a n d e df o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e m o d e mi n d u s t r yp r o d u c t i o na n dt e c h n o l o g y b e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o r i san e w h i g hs p e e de l e c t r i cm a c h i n e r yc o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so fm a g n e t i cb e a r i n g s a n ds y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o r , c o m p a r e dt ot h em o t o rs u p p o r t e db ys l i d eo rb a l l b e a r i n g s ，i th a sh i g hs p e e d ，n oc o n t a c t ，n ol u b r i c a t i o n ，n ow e a ra n ds oo n f u r t h e r m o r e ， t h eb e n e f i t sa r e 印p a r e n ti n c o m p a r i s o n t ot h ec o n v e n t i o n a ld r i v e sw i t hm a g n e t i c b e a r i n g s ，s u c ha st h em o t o ra x i a ll e n g t hi ss h o r t e n e d ，t h ec r i t i c a ls p e e di si n c r e a s e da n d t h em o t o rc o n s t r u c t i o ni s s i m p l i f i e d i na d d i t i o n ，c o m p a r e d t oo t h e rt y p e so f b e a r i n g l e s sm o t o r , t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e s ，f o re x a m p l et h es i m p l ec o n t r o ls y s t e m ， r u g g e ds t r u c t u r e ，l o wc o s t s ，e t c i np a r t i c u l a r , b e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c e m o t o ri s a d v a n t a g e o u sf o rh i g h s p e e da p p l i c a t i o n sb e c a u s eo ft h ea b s e n c eo f p e r m a n e n tm a g n e t so rw i n d i n g so nt h er o t o r t h eb e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o ri san o n l i n e a ra n ds t r o n g l yc o u p l e d m u l t i - v a r i a b l es y s t e m ，t h er e a l i z a t i o no ft h em o t o rs u s p e n s i o no p e r a t i o ni sa c h a l l e n g e w o r k i nc h i n a i ti st h ef i r s tt i m et h a tt h em o t o ri ss t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n , t h e r e s e a r c hf o c u s e so nt h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n de x p e r i m e n t sf o rt h em o t o r f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e so ft h er o t o rs u s p e n s i o na r ee x p l a i n e d ，t h e nt h ew h o l e m a t h e m a t i cm o d e l so fr a d i a lf o r c e sa n dt h et o r q u ea r ed e r i v e d m o r e o v e r , a ne f f e c t i v e d e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e da n dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e di n 【a t l a b s e c o n d l 5b e c a u s eo ft h ea b s e n c eo ft h ed e s i g nt h e o r yf o rb e a m g l e s sm o t o r , a s t a n d a r di n d u c t i o nm o t o ri sr e f i n e dt oab e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o ri n t h i sd i s s e r t a t i o n ，f u r t h e r m o r e ，a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nf o rt h em o t o ru s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o da r ec o m p l e t e d f i n a l l y , h a r d w a r e f o r p o w e r c o n v e r t e rc i r c u i ta n ds o f t w a r eb a s e do n t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pa r ed e s i g n e d t e s tr e s u l t sh a v ev a l i d a t e dt h a tt h ed e s i g ni s d e m a n d e df o rt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ep r o g r a mf l o wc h a r t sf o rt h es o f t w a r ea r ea l s o g i v e n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h eb e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c e m o t o ra r ei n t r o d u c e da n ds o m ei m p o r t a n tv a l u a b l ec o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d t h e yc a n p r o v i d et h ef o u n d a t i o no ft h ef u r t h e rr e s e a r c hf o rt h i sp r o j e c t k e yw o r d s ：b e a r i n g l e s ss y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em o t o r ；d e c o u p l i n g ；s i m u l a t i o n ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；h a r d w a r e ；s o f t w a r e p r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 2 7 5 0 6 7 ) 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。 本文授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分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。 保密影 本学位论文属于在f 年解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：夕舌，j 可 签字日期：少吃笋调日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：旅桎得 刍日 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：7 芬一，盆喝 日期：矽铲钥钼 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无轴承电机发展概论 1 1 1 研究背景 近年来，在高速机床、飞轮储能、离心机、空气压缩机、涡轮分子泵等众多 场合迫切需要高速及超高速的电力传动【l l 。此外，在航空航天、生命科学、无菌 纯净车间、腐蚀有害介质传输等特殊的电气传动领域，急切要求无接触、无润滑、 无污染的高性能电机驱动。普通机械轴承存在摩擦和磨损，并且需要润滑等，由 此带来使用寿命下降、润滑油污染等问题，导致机械轴承难胜其任，因此传统机 械轴承严重制约着驱动电机向更高转速、更高性能方向发展。磁轴承的出现，在 很大程度上解决了这些问题，克服了机械轴承的许多不足，满足了高速高性能电 机的支承要求。磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，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。磁悬浮轴承具有无润滑、寿命长、 无摩擦、无机械噪声等优点，使得它在能源交通、机械加工等高速领域获得了实 际应用。目前，国内外正继续对其作全面而深入的研究。磁轴承支承的电机虽然 具有突出的优点，但在实际运用中，磁轴承的缺陷依然存在：磁轴承占据的轴向 体积较大，导致所支承电机的轴向长度较长，电机的结构较为复杂；另外电机的 临界转速和输出功率也受到极大限制，这些缺点大大限制了磁轴承支承的电机在 更大范围和更多领域的应用口j 。因此，既具各普通交流电机特点，又兼备磁轴承 优良性能为一体的新型电机无轴承电机应运而生。无轴承电机的出现是高速电 机设计理念的革命性变化，是电气传动领域内一项重大突破。同磁轴承支承的电 机相比，无轴承电机有着更加明显的优点：电机轴向长度得到减小，临界转速得 到提高，电机结构也得到简化【8 j 。 1 1 2 基本结构 无轴承电机是在磁悬浮轴承原理基础上研制出来的，无轴承电机是根据磁轴 承结构与电机结构的相似性，将磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠加到电机定子 上，只要确保电机转矩绕组产生的磁场极对数p i 与径向悬浮力绕组产生的磁场极 江苏大学硕士学位论文 对数p 2 满足关系式：p 2 印l 士1 ，电机便不仅能产生电磁转矩，还同时能产生大小 和方向可控的径向悬浮力1 4 】。无轴承电机的一个转子要实现稳定悬浮需要对5 个 自由度进行控制，也就是说要支承无轴承电机的一个转子需要两个无轴承电机单 元和一个轴向磁轴承，其中两个无轴承电机单元的结构完全一样。图1 1 为传统 机械轴承支承的电机结构图；磁轴承支承的电机结构形式有多种，图1 2 所示为 电机 轴向磁轴承往向避相承 电机住向磁轴承 图1 1 传统电机结构图图1 2 磁轴承支承的电机结构图 其中一种，这种结构的电机其转子完全悬浮需由两个径向磁轴承和一个轴向磁轴 承，电机部分只产生电磁转矩；图1 3 为无轴承电机结构图，其轴向自由度由磁 轴承来控制，径向磁轴承的功能由电机来实现，与图1 2 相比，其结构得到了简 轴向磁轴承电机与径向磁轴承电机与径向磁轴承 图1 3 无轴承电机结构图 化；图1 4 为径向轴向三自由度混合磁轴承支 承的无轴承电机结构图，其结构形式得到了 进一步简化；图1 5 为无轴承薄片电机结构 图，其转子轴向长度与其直径相比很小，一 图1 4 混合磁轴承支承的 无轴承电机结构图 d 匝皿归 o q 皿 个无轴承电机单元即可实现稳定悬浮，该类 图1 5 无轴承薄片电机结构图 无轴承电机结构最为紧凑和简单。 图1 6 为无轴承同步磁阻电机样机部件副9 1 ，图中标注1 为辅助机械轴承； 标注2 、3 分别为样机定子、转子；标注4 为转子角度测量解算器及其紧固铸件。 黼删 1 1 3 研究进程2 i 图i6 无轴承同步磁阻电机部件图 2 0 世纪7 0 年代中划，英同学者1 l e r m a n npk 提出了种极肘数为分别为p 和p + 2 的坝绕组定了结构，且h 有自悬浮能力的电磁装置，申请r 专利。与此同 时，美固学者m e i n k eg 提出了另外种分离绕组的磁悬浮装置，也申请了专利。 但在那个年代，园逆变器、数7 微处理器及电机欠量控制理沦等技术发展的滞后， 无轴承电机迟迟无法产牛。1 9 8 5 年，h 本人i i i g u c h it 提出了步进l u 磁悬浮电动 机，并充分利用i n 机励磁l n 流的特性实现了电机转矩和径向力之间的解耦。1 9 8 8 年，b o s c hr 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 0 世纪8 0 年代未以来，现代电力电子技术的发展为高性能逆变 器的实际应用夔定了基础，高速数字信号微处理器的卅现使得交流电机复杂的矢 量控制得以实现，这些技术的飞跃进步为无轴承电机的研究创造了良好的条件， 并种结构类型的无轴承电机相继研制成功，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犟本理论。这其叶 丰要类碰的 无轴承电机包括：感应型无轴承电机、水磁型无轴承电机、磁阻型无轴承电机以 及其他混合结构型无轴承电机。 1 9 9 3 年，苏黎世联邦工学院的s c h o br 首次实现了交流电机的尤轴承技术， 1 9 9 5 年之后，无轴承电机的研究开始边入实用化阶段。在这方面，黎世联邦丁 学院走存世界晰i j 4 f j ，s c h o br 等学者探讨丁无轴承电机在医学工程等领域的应 用问题，设计h 基于感应型无轴承电机的泵系统，川于心脏外科手术中体外循环 系统及，l 物医学研究中的细胞培植等。此外，v u i l l e m i n 等学者与荚旧生产硬盘的 s e a g a t e 公司合作，在研究计算机新型硬盘驱动电机时应用了水磁型无轴承电 江苏大学硕士学位论文 机，希望进一步提高硬盘的速度。无轴承电机取得实际应用的关键性突破是1 9 9 8 年苏黎世联邦工学院的巴莱塔研制出无轴承永磁薄片电机，该电机结构简单，控 制系统的成本得到降低，在很多领域具有很大的使用价值。2 0 0 0 年，苏黎世联邦 工学院的s l i b e r s 研制出无轴承单相感应型电机，再一次在无轴承电机的发展史 上前进了一步。与三相电机相比，单相感应型电机结构简单，需要较少的逆变器 等，控制系统成本进一步降低，这对促进了无轴承电机的实用化意义重大。 无轴承电机除了做电动机使用外，还可用作发电机。日本东京工业大学的 f u k a o t 等学者提出了一种飞轮储能系统，并申请了美国专利。在此系统中，无 轴承电机既可工作在电动机状态，又可工作在发电机状态。 目前，瑞士、日本、美国、德国等均在大力开展无轴承电机的研究，研究重 点集中于有关无轴承电机的结构设计、特性分析及控制方式上，迄今，己发表了 大量的研究论文和成果报告，特别是近年来旨在实用化的开发、研究，倍受关注。 无轴承电机的研究是电机新技术发展的重要方向，在今后相当长的时间内仍将是 高速电机研究领域内一大热点。在国内，无轴承电机的研究起步较晚，但同样也 受到了许多学者的重视，在借鉴国外成功经验和技术的基础上，众多研究单位也 开展了无轴承电机技术研究，目前国内开展无轴承电机技术研究的单位主要有： 江苏大学、南京航空航天大学、浙江大学、沈阳工业大学、西安交通大学等。江 苏大学得到多项国家自然科学基金、江苏省高新技术项目等基金支持，重点开展 了无轴承永磁同步电机、无轴承永磁薄片电机、无轴承开关磁阻电机等项目研究， 取得了一系列研究成果。 1 1 4 应用前景【2 8 】 无轴承电机具有磁悬浮轴承的所有优点，高速及超高速的电气传动是其典型 应用场合，并且在无菌无污染以及有害有毒液体或气体传输等应用领域也有着重 要的使用价值和应用前景，具体体现在如下方面： 生命科学领域 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，危及生命。苏黎世联邦工学院和l e v i t r o m x 公司研制成功的无轴承永磁电 机驱动的血泵和可以移植到人体内的心脏左心室辅助装置已经在临床中应用。图 1 7 为瑞士l e v r t i o n i x 公司研制成功的无轴承永磁同步电机驱动的左心室辅助装 4 谬 萄 图l7 左心室辅助裘置圈i8 无轴承电机泵系统 半导体工业 在半导体工业巾，酸碱液以及有机溶剂等液体输送是其中一个重要环节。无 轴承电机密封泉内无微小污染颗粒，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业的要求。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，图l8 为瑞士 l e v r t i o n i x 公司研制的半导体加上用无轴承电机转子泉系统。 食品化工领域 在食品、化工领域，以及放射性环境，高温辐射等恶劣条件下，使h j 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 佧选择之一，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 的无轴承密封泉进入试运行阶段。 e 轮储能【3 0 i 无轴承交流电机还是许多高新技术的关键环忙。例如，随着这一关键环节的 不断完善和发展，将推动着目前国外竞帽研制的基于高速e 轮储能的机电电池向 能量更大( 是蓄电池的5 倍以上) 、可靠性和效率更高的方向发展。飞轮储能系统 采用无轴承电机后，增加了轴向空间利用率，降低了重量和体积。 1 2 本课题的研究意义 1 9 9 0 年，日本东京科技大学的c h i b aa 等学者首次实现同步磁阻电机的无轴 承技术，样机输 功率为21 2 k w ，申载实验转速达1 2 0 0 0 f r a i n 。此后，德国开 姆尼斯技术大学的h e r t e ll 等学者也丌始对无轴承同步磁阻i 乜机进行研究，其样 江苏大学硕士学位论文 机输出功率为1 5 k w ，空载实验转速高达3 0 0 0 0 r m i n f 8 1 。但尚未见国内报道有关 无轴承同步磁阻电机专题研究工作和研究成果，因此，本课题的研究在国内尚属 首次。同步磁阻电机的无轴承技术是- i - 1 多学科交叉融合的高新技术，其研究领 域涉及电机学、电力电子与交流传动技术、控制理论、微处理器技术及计算机科 学等众多学科知识。江苏大学得到国家和江苏省等多项基金的支持，重点开展无 轴承永磁同步电机和无轴承永磁薄片电机的研究工作，为无轴承电机的研究奠定 坚实的物质基础，营造良好的研究氛围。因此，本课题紧密跟踪世界前沿学术研 究状况，开展无轴承同步磁阻电机的基础理论及实验研究，进一步扩大了江苏大 学在国内外无轴承电机研究领域内的重要影响，拓宽了国内无轴承电机的研究范 围。 无轴承同步磁阻电机除具备一般无轴承电机所共有的优点外，因其转子上省 略了永磁体，也无励磁绕组，更加适合于高速及超高速应用领域，并同时具备普 通同步磁阻电机的一系列优点和特性，具体体现在如下方面【3 9 书1 ： 1 同步磁阻电机转子不需要励磁，而是利用转子上直轴和交轴气隙磁阻不等 而产生同步磁阻转矩。同其他交流电机相比，同步磁阻电机具有结构简单，制造 容易，成本低廉，运行可靠等诸多优点。同步磁阻电机一般为凸极式结构，其转 子上没有励磁绕组或永磁体。传统的同步磁阻电机具有较低的凸极比，这使得转 矩密度较差、功率因数较低。但是近年来，随着各向异性轴分层结构的提出，同 步磁阻电机取得了很大发展，这种结构可以实现较高的凸极比( 8 1 0 ) 。显然，凸 极比愈大，电机的力能指标愈高，从而极大地改善了转矩密度、功率因数，使得 这些性能指标基本上达到异步电机的水平。正因为如此，在现代高品质( 高效率、 高转矩密度、高精度、快速响应、宽调速) 的交流调速传动系统中，同步磁阻电机 受到了特别的重视，高性能的同步磁阻电机必将获得越来越广泛的应用。 2 同步磁阻电机在效率上高于同定额的感应电机。转子损耗在感应电机总损 耗中约占2 0 3 0 ，而在同步磁阻电机中却很少或可忽略不计；如果凸极系数足 以产生与感应电机相等的功率因数，则其定子绕组损耗与感应电机相同；与异步 电机复杂的控制算法相比，同步磁阻电机的控制则显得十分简单，从而降低了控 制系统的成本费用。 3 同永磁同步电机相比，同步磁阻电机同样具有一系列优势：不必考虑它 6 江苏大学硕士学位论文 的弱磁效应，因此从本质上看同步磁阻电机比永磁同步电机更加安全、牢靠；同 步磁阻电机转子完全有坚固可靠的低成本材料制造而成，相比永磁同步电机，省 略了价格昂贵的稀土永磁材料，故其制造成本较低。 目前，国内外对无轴承同步磁阻电机的研究仍停留在理论和样机的实验阶段， 距实用化还有一定的距离，但其令人鼓舞的应用的前景促使无轴承同步磁阻电机 的研究日趋系统和完善。无轴承同步磁阻电机是一种新型的电机，其研究还处于 初步阶段，研究过程中的许多问题亟待解决。但其突出的优点决定其潜在的巨大 使用价值，无轴承同步磁阻电机满足了许多场合高速电力传动的需要，性能优越 的无轴承同步磁阻电机适合应用于高速机床、涡轮分子泵、飞轮储能、压缩机及 其他纯净介质传输等应用场合。在半导体加工工业、食品化工领域等特殊的电气 传动场合使用新型的无轴承同步磁阻电机，必将大大提高产品质量，增强经济竞 争力，提高生活质量。因此，无轴承同步磁阻电机具有潜在的巨大应用市场，积 极开展无轴承同步磁阻电机的研究具有重大的现实和长远意义。 1 3 论文工作及内容安排 1 3 1 论文工作的提出 鉴于无轴承同步磁阻电机课题研究的重大意义，本文在国内第一次开展无轴 承同步磁阻电机专题研究工作。无轴承同步磁阻电机是个庞大的复杂的强耦合、 非线性系统，实行电机在空载以及负载条件下的稳定悬浮运行，有相当大的难度。 本课题借鉴国外学者设计的无轴承同步磁阻电机结构特征及控制规律，参考普通 同步磁阻电机以及其他类型的无轴承电机工作原理和控制方法，进行了一系列基 础性和探索性的研究工作。 本文首先通过对无轴承同步磁阻电机转子悬浮原理及控制机理进行分析，掌 握了无轴承同步磁阻电机的基本特性；在此基础上，设计一台功率为0 5 k w 的样 机，并对样机进行有限元分析；推导出无轴承同步磁阻电机控制系统的数学模型， 研究确定电机电磁转矩和悬浮力之间的解耦控制方法，进行了控制系统的数字仿 真；完成了基于i p m 智能功率模块的电流滞环p w m 功率变换器设计，并进行了 实验测试；最后，对无轴承同步磁阻电机的单d s p 数字控制系统进行了设计，给 出了程序流程图。控制系统的硬件和软件设计为实现无轴承同步磁阻电机的稳定 7 江苏大学硕士学位论文 悬浮运行奠定了坚实的基础。 1 3 2 论文的内容安排 本课题的研究工作主要包括以下几个主要内容： 第l 章概述了无轴承电机的发展情况，主要从研究背景、基本结构、研究进程、 应用前景等几个方面进行了介绍。在此基础上，阐述了无轴承同步磁阻 电机研究的重大意义、本文选题的主要目的、本文的主要内容安排等。 第2 章介绍了同步磁阻电机的基本特性，给出了无轴承同步磁阻电机转矩子系 统数学模型；重点研究其转子悬浮原理，推导出径向悬浮力方程，得出 了无轴承同步磁阻电机完整的数学模型。 第3 章研究了无轴承同步磁阻电机内部复杂的多变量耦合关系，采用基于前馈 补偿器的解耦方法，实现了电机的解耦控制。基于m a t l a bs i m u l i n k 环境下对控制系统进行了建模和仿真研究，介绍了主要子环节的模型构 建，给出了仿真结果，并对仿真结果进行了分析，证实了解耦方法的有 效性。 第4 章研究确定样机本体结构及相关参数，对一台交流异步电机采用改装的简 化设计方法，设计一台功率为o 5 k w 的无轴承同步磁阻电机。并采用 a n a s y 电磁场有限元软件，对样机磁场分布、悬浮力等主要参数进行 分析和计算，重点研究了无轴承同步磁阻电机内部复杂的电磁关系和径 向悬浮力与电流、气隙之间的关系特性。 第5 章进行了无轴承同步磁阻电机控制系统的硬件和软件设计。完成了基于 i p m 的电流滞环p w m 逆变器的设计，以及电流、位移及转速等信号检 测电路的设计，并对功率电路板进行了实验测试，测试结果满足了设计 目标。最后介绍了基于单d s p 的数字控制系统设计，给出了软件设计流 程图。 第6 章总结与展望部分。总结了论文所做的工作和论文所取得研究成果，提出 了需进一步研究的工作，为后续研究提供参考。 8 江苏大学硕士学位论文 第2 章无轴承同步磁阻电机悬浮原理及数学模型 2 1 引言 无轴承同步磁阻电机数学模型的建立是其系统解耦控制及系统实现的前提 条件，其整体数学模型包括转矩控制子系统数学模型和悬浮力控制子系统数学模 型。无轴承同步磁阻电机转矩控制部分相当于一台普通的同步磁阻电机，其转矩 部分数学模型也与普通同步磁阻电机数学模型相同。本文研究的无轴承同步磁阻 电机具有凸极转子，其径向悬浮力部分数学模型与其它类型无轴承电机有所不同。 2 2 转矩子系统数学模型【3 9 4 ，】 2 2 1 同步磁阻电机转矩产生原理 同步磁阻电机最早时只作为驱动各种自动和遥控装置、仪表等，功率只从数 十瓦到数百瓦。近年来用于交流传动系统，功率等级已达数十千瓦。 同步磁阻电机一般靠实心转子中感应的涡流或镶嵌于导磁材料之间的导电材 料( 铝、铜片) 起鼠笼条作用来起动，当接近于同步转速时，磁阻转矩开始起作用， 并最终自动牵入同步。在现代交流传动系统中，同步磁阻电机已由变频方式起动， 故转子设计已较少考虑起动方面的问题。 除了转子上没有任何励磁绕组外，同步磁阻电机的结构与凸极式同步电机完 全相同。它的定子具有三相对称绕组，可以在气隙中建立正弦旋转磁场，由于转 子中异步的磁场趋于使转子在最小磁阻的位置上对准定子磁场，因而形成磁阻转 矩。 另外，现代同步磁阻电机的转子常被设计成在轴向方向上具有被非磁性材料 隔离的铁叠片结构，可以增大q 轴上磁链的磁阻。与异步电机相比，同步磁阻电 机具有较低的功率因数，通过适当设计，同步磁阻电机的性能可以接近于异步电 机，对于高凸极比( 凸极比定义为以口；l d 、l g 分别为电机d - q 轴电感) ，功率因 数可达o 8 0 ；因没有转子铜耗，同步磁阻电机的效率会高于异步电机。由于其结 构的简单性和坚固性以及较低的制造成本，同步磁阻电机已经广泛用于许多低功 率场合，同步磁阻电机传动正在引起人们越来越多的兴趣。 9 江苏大学硕士学位论文 同步磁阻电机的定子与一般同步电机或异步电机相同，但转子结构却多种多 样，只要转子直轴方向与交轴方向的磁阻不相等，根据磁阻最小原理即可产生同 步磁阻转矩。图2 1 所示是同步磁阻电机转子的基本结构形式，其中图2 1 ( a ) 、2 1 ( b ) 为实际中最常用的2 极和4 极转子结构。转子新结构主要措施就是采用钢片和非 磁性材料如铝、铜镶嵌的结构，其2 极和4 极转子结构如图2 1 ( c ) 、2 1 ( d ) 所示， 其中铜或铝部分可起到鼠笼绕组的作用使电机起动，在正常运行时，气隙磁场基 本上只能沿钢片引导的方向进入转子直轴磁路而使磁场显著扭斜，其对应的直轴 电抗很大；而交轴磁路由于要多次跨越非磁性材料铝或铜的区域遇到的磁阻很大， 所以其对应的交轴电抗很小。 图2 1同步磁阻电机转子结构 同步磁阻电机的工作原理可以用图2 2 来说明，图2 2 中外边的磁极表示定子 绕组所产生的旋转磁场，中间是凸极式转子，顺着凸极的方向称为直轴方向，与 凸极轴线正交的方向称为交轴方向。显然，当旋转磁场轴线与转子直轴方向一致 时，磁通所通过的路径磁阻最小；当与转子交轴方向一致时，磁通所通过的路径 磁阻最大，其他位置的磁阻则处于两者之间。 设旋转磁场的轴线与转子直轴方向的夹角( 转矩角) 为万，图2 2 ( a ) 表示8 = 0 。 s ( a ) s ( b ) s ( c ) 图2 2 同步磁阻电机工作原理图 1 0 江苏大学硕士学位论文 时，磁力线沿着磁阻最小的路径通过，不产生磁阻转矩；图2 2 ( b ) 表示0 占 9 0 。， 磁力线被扭曲由于磁通尽量经过磁阻最小的路径，力图使转子直轴方向与定子 磁极的轴线一致，使转子受到逆时针方向磁阻转矩的作用，随着定子旋转磁场以 同步速转动。这样，加在转子轴上的负载转矩越大，定子旋转磁场的轴线与转子 直轴方向的夹角万也越大，这样磁力线的扭曲更大，所产生的磁阻转矩也更大。 图2 2 ( c ) 表示万= 9 0 。时，磁力线沿着磁阻最大的路径通过，由于磁力线未被扭曲， 故不产生转矩。 2 2 2 同步磁阻电机数学模型 无轴承同步磁阻电机转矩部分等同于一台普通同步磁阻电机，而同步磁阻电 机在很多方面都和正弦波永磁同步电机相似，不同之处在磁链竹= 0 且厶厶。 其d - q 坐标上的等效电路很简单，如图2 3 所示。图2 3 中，蚴、材。分别为定子 电压小g 轴分量；足。为定子每相电阻：屯、乞分别为定子电流小g 轴分量；缈为 同步转速：、咒分别为定子磁链小g 轴分量；厶。为等效两相定子绕组漏感；、 k 分别为小g 坐标下定子与转子绕组间互感；p 为微分算子d d t 。 厶2 乞t + k 图2 3 同步磁阻电机萨口坐标系下动态等效电路 l t2l n + l _ l 图2 4 为同步磁阻电机的矢量图，图中= 厶屯，= 厶：相电压“，= 缈鬈， 式中为定子磁链。当乙较大时磁链趋于饱和，实际中由于电流的影响， 也会使厶存在一些耦合饱和效应。为简单起见，图2 4 中忽略了定子电阻压降， 因电机由定子提供励磁电流，故电机的功率因数角p 很大。经推导同步磁阻电机 转矩表达式为 江苏大学硕士学位论文 q、 a 图2 4 同步磁阻电机矢量图 刚= 缸 - + d 乏= 扣掣s i n 2 万 亿， 式中，p 。为极对数；空间矢量定子磁链的大小i 彬i = 缸；万为转矩角； s i n 2 6 = 2 s i n 8 c o s 8 ，并且c o s 万= i 鬈l ，s i n 8 = 鬈i 鬈i ，从电机相量图2 4 中 可得转矩方程的另一种常用表达形式为 气 丁2 扣( 一( 2 2 ) 从同步磁阻电机等效电路图2 3 及电机相量图2 4 ，可得d - q 同步旋转坐标系 下转矩子系统动态数学模型，其数学模型由下列方程组成： 1 定子电压方程 2 定子磁链方程 3 转矩方程 4 运动方程 互= 弘3 ( 厶_ 厶) 弛 1 2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 了，q ，w 0 饥 呜 屿 一 + 奶百堕出 助 厶 + + 办 矗 r 足 = = 蚴 00 厶厶 = = 00 、，、， 细知 + + i 厶，l ，l = = 鬈，j、【 江苏大学硕士擘位论文 疋一瓦= p 鲁(26)l d f 上列式中，为转子转动惯量，c 、瓦分别为电机电磁转矩和负载转矩。 2 2 3 同步磁阻电机电流矢量控制 同步磁阻电机最简单的运行方式是借助于笼形绕组，像异步电机一样直接起 动，达到同步转速后转入同步运行状态。同步磁阻电机一种最为简单的应用是基 于转速开环恒压频比控制的多电机传动，这种速度控制方法在并联同步磁阻电机 拖动系统中应用很普遍。当采用自控方式时，同步磁阻电机响应特性很硬，此时 无须采用阻尼绕组。 下面列出同步磁阻电机调速常用的几种闭环自控方法： 恒定d 轴电流0 控制 采用这种简单控制方法时，电机向量图2 4 中的d 轴电流屯保持恒定，在恒 转矩区通过控制g 轴电流乞来控制转矩。 。 快速转矩响应控制 该方法的目的是使传动系统获得最快的转矩响应，要求对转矩公式进行化简 和变换，求取最大转矩下传动系统获得最快响应的条件。 转矩电流比最大控制 该方法旨在获得最大的传动效率，在电机输出转矩满足要求的条件下使得定 子电流最小，减小了电机铜耗，逆变器损耗也得到了减小。 最大功率因数控制 该方法要求变换出功率因数的表达式，得到功率因数最大值所满足的条件， 依此作为控制策略。 以上列出几种控制算法比较简单，都对电机定子电流的屯、乞分量进行了独 立控制并作了矢量变换，所以被定义为矢量控制。但实际上并不是真正意义上的 矢量控制，因为它没有通过磁场对定子电流进行定向，而且也没有对电机的定子 磁链进行直接控制，电机的瞬态响应并不是最优，如采用定子磁链吵。定向的矢量 控制方法可以使控制系统获得更好的控制性能。本文重点研究的是无轴承同步磁 江苏大学硕士学位论文 阻电机的悬浮特性及其多变量解耦控制，对于转矩控制没有采用更加复杂的控制 方法，只采用简单有效的恒屯控制。 2 3 无轴承同步磁阻电机转子悬浮原理 电机中存在着两种不同类型的电磁力：麦克斯韦力和洛伦兹力。麦克斯韦力 是磁路中不同磁导率介质边界上形成的磁张力，电机中铁心和气隙边界上麦克斯 韦力作用方向为垂直于电机转子表面，如果电机中磁通对称分布，则其麦克斯韦 合力为零；洛伦兹力是电机旋转磁场对定子中载流体作用产生的力，其方向为沿 转子表面切线方向，电机的电磁转矩就是基于洛伦兹力作用而产生的。 无轴承同步磁阻电机定子槽中嵌有不同极对数的两套绕组即转矩绕组( 假定 极对数为p 。) 和径向悬浮力绕组( 假定极对数为胁) ，并且符合胁= p 4 - 1 的数量关 系，电机便可同时产生电磁转矩和径向悬浮力。径向悬浮力绕组中电流的通入， 打破了电机原旋转磁场的平衡，使得电机气隙某区域处的磁场增强，而其对称区 域内磁场减弱， 其产生的麦克斯韦合力( 磁张应力) 将指向磁场增强的方向。以 2 极径向悬浮力绕组和4 极转矩绕组为例，如图2 5 ( a ) 所示，转子区域l 、3 处磁 感应强度不均匀，其结果产生的麦克斯韦合力而指向y 轴的正方向。 事实上， 无轴承同步磁阻电机中除麦克斯韦合力产生径向力悬浮力之外，径向悬浮力绕组 中的载流体因受到转矩绕组磁场作用而产生的洛伦兹力也构成径向悬浮力的一部 分，但受两套绕组极对数关系的制约，这部分洛伦兹力并不产生电磁转矩【2 8 1 。如 图2 5 ( b ) 所示，由左手定可判断电机产生沿y 轴负方向的洛伦兹力凡，故转子y i i二 一 l 、 一 1 lj 3 一 一 ( a ) 图2 5 无轴承同步磁阻电机中的麦克斯韦力和洛伦兹力 1 4 江苏大学硕士学位论文 轴方向所受径向悬浮力合力的大小为：舻凡一凡。因此，无轴承同步磁阻电机 的径向悬浮力由麦克斯韦力和洛伦兹力共同构成。研究认为，当极对数满足 p l = p 2 + l 时，转子上的麦克斯韦力和洛伦兹力方向相反，转子所受径向悬浮力为： 舻凡一凡；当极对数满足p l = p 2 一l 时，转子上的麦克斯韦力与洛伦兹力方向相 同，转子所受径向悬浮力为：舻助+ 凡。因洛伦兹力所占比例很小，无轴承同 步磁阻电机径向悬浮力主要由电机气隙磁场变化而产生的麦克斯韦合力构成。 无轴承同步磁阻电机转子径向悬浮力产生原理可以从其等效的直流电机模型 中得到解释，图2 6 是其空载条件下悬浮力产生原理示意图。电机具有4 极励磁 绕组虬和2 极附加径向悬浮力绕组，。4 极励磁绕组m 通以电流时产生4 极励 磁磁通虬，2 极径向力绕组，通以电流产生2 极磁通，。当两套绕组分别通以 图2 6 所示方向的电流时，径向力绕组。 产生的2 极磁场和励磁绕组m 产生的4 极 磁场两者合成结果使得图中气隙l 处的磁 通密度增强，气隙3 处的磁通密度减弱。 不平衡的气隙磁通密度导致转子产生沿y 轴正方向磁悬浮力。同理，绕组，中通以 反向电流，则转子会产生沿y 轴负方向的 径向悬浮力。此外，电机还附有另外一套 | | - 一 _ 一 1 3 一 一 图2 6 径向力产生原理 少f l r 同绕组m 相垂直的2 极悬浮力绕组以，用以产生z 轴方向的径向悬浮力。因此， 控制这两套悬浮力绕组中的电流就可使转子产生沿任意方向的径向悬浮力。除励 磁绕组虬外，电机还有另一套4 极转矩绕组6 ，用以产生电磁转矩7 1 。 2 4 径向悬浮力子系统数学模型 本文无轴承同步磁阻电机因具有凸极转子，其气隙磁通密度b 并非均匀分布， 磁通密度b 为转子机械位置角0 的函数。图2 7 为其磁动势分布图嘲，图中f i 、 足分别是转矩绕组及悬浮力绕组产生的气隙磁动势基波幅值：、兄分别为转矩 绕组和悬浮力绕组产生的气隙磁动势矢量空间初始相位角；口为0 到2 万间的转子 江苏大学硕士学位论文 图2 7 磁动势分布图 位置机械角度。 无轴承同步磁阻电机转子偏心如图2 8 ( a ) 所示，由图2 8 ( b ) 可计算转子偏心时 转子凸极与定子间气隙长度表达式为 a o ( a ) = 8 0 x c o s o + y s i n o( 2 7 ) 式中，磊为气隙平均长度：x 、y 分别为x 、y 轴方向转子偏心位移，并假定其值 图2 8 转子偏心时气隙长度 远小于转子半径。 无轴承同步磁阻电机气隙的不均匀主要是由凸极转子所导致，如图2 9 所示。 图2 9 ( a ) 为转子处于定子中心位置无偏移产生时的气隙长度。忽略齿槽影响，转 ( a ) 图2 9 电机气隙长度分布特性 1 6 矛 江苏大学硕士学位论文 子凸极区域的气隙为6 0 ，两凸极间区域处的气隙为磊，图2 9 ( b ) 为气隙长度随转 子位置角度秒变化时的分布特性【1 1 。此处假：i 疋r a - - , 4 磊，即假定点不随转子偏心位 移的影响，只考虑转子凸极区域处气隙长度的变化，可得转子偏心时气隙长度的 分段表达式为 磊( 臼) = 磊一x c 。葛+ y s n 秒 ( 2 8 ) 假定无轴承同步磁阻电机凸极转子极弧角度为3 0 。以及两套绕组中磁动势为 正弦波分布，以4 2 极无轴承同步磁阻电机( 4 极转矩绕组和2 极悬浮力绕组) 为例， 忽略磁饱和及其它次要因素，推导其径向悬浮力方程。 根据麦克斯韦张量法，可得作用在转子表面出面积上的麦克斯韦力为 印：掣刎 ( 2 9 ) z p 4 式中，鳓为真空磁导率。则转子所受麦克斯韦力沿x 、y 轴方向的分量分别为 a r , ( e ) 峨( 秒) c o s e d 8 ( 2 1 0 ) s i n e d 9 式中，为电机有效铁心长度；，- 为凸极处转子半径。电机中气隙磁动势基波f ( o ) 由转矩绕组和悬浮力绕组共同产生，其大小为 f ( o ) = ec o s ( c a t 一2 9 + ) + ec o s ( c o t 一8 + 2 ) 一 ( 2 1 1 ) 式中国为电角频率。无轴承同步磁阻电机中磁通密度与气隙磁动势的关系式为【8 】 厂( 口) ：2 0 ( o ) 8 0 ( o )( 2 1 2 ) 硒 将式( 2 1 1 ) 、式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 0 ) ，进行积分可得转子上所受径向悬浮力为 e e c o s 9 d 9 s i n 8 d e ( 2 1 3 ) 为简化起见，在径向悬浮力的实际计算时仅考虑转子凸极处的有效区域1 1 ， 并假定转子偏心位移远小于电机气隙长度磊，则此时磊( 目) = 磊，将式( 2 1 3 ) 毛e4 个凸极处进行分段积分，可得下式 1 7 9 秒 b b 旦砜上砜 一铆一厂一猷广一磊 由由 纽8 盟8 江苏大学硕士学位论文 l f r 1 9 、= k 。l2 ：r c o s ( t - 2 ) + 3 , 3 c o s ( 4 0 - - x x 一 - 五) i 1 c ( 目) ：尺二 2 万s i n ( 一力+