（电机与电器专业论文）无轴承异步电机悬浮控制技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb e a r i n g l e s st e c h n i q u eh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yr e c e n ty e a r s ，a n dt h er e s e a r c ho ni th a s b e c a m eaf o c u s t h eb e a r i n g l e s sm o t o r , w h i c hc o m b i n e st h ed r i v ew i t hm a g n e t i cl e v i t a t i o n ，i sa n e wt y p eo fm o t o r t h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o rw h i c hh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e a n dh i i g hr e l i a b i l i t y , w a ss t u d i e de a r l i e rt h a no t h e rt y p e so fb e a r i n g l e s sm o t o r s t h eb e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o rh a sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u ei nt h ed o m a i no ft h ee l e c t r i c a ld r i v ew i t hh i i g ha n d u l t r ah i g hs p e e d t h eb e a r i n g l e s sm o t o ri san e wt y p eo fm o t o rw h i c hh y b r i d i z e st h em o t o r sa n dt h em a g n e t i c b e a r i n g s t h eb e a r i n g l e s sm o t o rw i n d st h el e v i t a t i o nw i n d i n g st o g e t h e rw i t hc o n v e n t i o n a lm 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 sb yt a k i n ga d v a n t a g e so ft h es i m i l a r i t yb e t w e e nt h es t r u c t u r eo f m a g n e t i cb e a r i n ga n dt h a to ft h ea cm o t o r t h er o t o rs h a f tc a nb es u c c e s s f u l l ys u s p e n d e db yt h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e s t h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r , b e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y , a i r - g a p u n i f o r ma n de a s yf i e l dw e a k e n ，h a sm o r ev a l u eo fr e s e a r c h sa n da p p l i c a t i o n st h a no t h e rm o t o r s t h i sp a p e rf i r s te x p o u n d st h eb a s i cp r i n c i p l eo fb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r , t h e na n a l y z e ss o m e c h a r a c t e r i s t i c so ff l u xo r i e n t a t i o nc o n t r o lc o n t r a p o s i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o r , an e wd e c o u p l i n gc o n t r o ls y s t e mh a sb e e np u tf o r w a r d ，t h i sa p p r o a c hd i r e c t l y c o n t r o l sr o t o re c c e n t r i cd i s p l a c e m e n t b a s e do nt h ea n a l y z i n ga b o u tt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so f t h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r , t h em o t o r sm a t h e m a t i c a lm o d e li sd e r i v e da n dt h en e wc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e d t h e n ，t h ec o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e dw i t hm a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es u c c e s s f u l d e c o u p l i n go f r a d i a lf o r c e sa n d e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei sr e a l i z e d f i n a l l y , t h ed i t i g a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s pf o rr e a l t i m ec o n t r o li sd e s i g n e dt or e l i z et h em e a s u r e m e n to fd i s p l a c e m e n t ，s p e e da n d c u r r e n t i ta l s op r o v i d ear e l i a b l ee x p e r i m e n te n v i r o n m e n tf o rs u s p e n s i o no p e r a t i o ns t u d y i n go ft h e p r o t o t y p em o t o r t h ep r o g r a m m ei nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa l ld o n eb ya s s e m b l el a n g u a g ei n t h e e n v i r o n m e n to fc c s 2 0 0 0s o f t w a r e p a r t so f t h ee x p e r i m e n ti sf i n i s h e ds u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r ，m o d e l ，f l u xo r i e n t a t i o n ，d i r e c td i s p l a c e m e n t ， d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 幸p r o j e c ts u p p o r t e db yn 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 fc h i n a ( 6 0 6 7 4 0 9 5 ) 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 学可以将奉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：榴垡舀及指导教师签名： 乙p 吖年占月扣日a 。呷年c 月l o 曰 苹2 孙 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 结果南本人承担。 学位论文作者签名：招建皈 日期：纠年6 月7 d 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 无轴承电机概述 1 1 1 无轴承电机的研究背景 第一章绪论 现代化工业生产对拖动电机的性能要求越来越高，其中一个明显特征是高速 电机和超高速电机f 1 益广泛地应用于高速机床、离心机、压缩机、飞轮储能以及 涡轮分子泵等工业设备中，用机械轴承支撑时，由转子高速运行带来的摩擦阻力 增加，使轴承磨损加剧，缩短轴承和电机的使用寿命，也增加了对电机和轴承维 护的负担。 传统的磁轴承支承的电机系统如图1 1 ( a ) 所示，要实现电机的完全悬浮，需 要在5 个自由度上施加约束，即需要4 个径向磁轴承和1 个轴向磁轴承来支承。 虽然磁轴承支承的电机系统和普通的电机系统相比具有突出的优点，但是在不同 应用领域仍存在如下不足：由于磁轴承在轴向和径向都占了很大一部分空间，因 而体积大，妨碍了高速下的大容量化，同时，因为电机轴向尺寸大，限制了电机 临界转速的提高，电机的输出功率难以进一步提高。磁轴承需要高性能的功率放 大器、高品质的控制器，导致磁轴承系统结构复杂、成本较高，大大地影响了由 磁轴承支承的电机系统在高速领域的应用。 无轴承电机是电机和磁轴承研究领域的重大创新，在保持磁轴承支承电机的 优点外，轴向尺寸缩小，功率密度高，造价低，提高了临界转速及功率，从根本 上改变了传统电机的结构和控制。利用磁轴承和电机定子结构的相似性，把磁轴 承中的悬浮绕组叠绕在电机定子绕组上，使两种磁场合成一体，且能同时独立控 制电机转子的悬浮和旋转，无轴承电机正是基于这一设想而提出的。无轴承电机 结构如图1 1 ( b ) 所示，电机中两套绕组的磁场相互作用产生了作用在电机转子上 的径向力，通过控制电机中的径向力可实现转子的悬浮。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矩和径向悬浮力的功能，因而磁轴承支承的 电机中用到的支撑转子的径向磁轴承可以省去。无轴承异步电机能实现大功率高 转速运行，在高速精密机械加工、航空航天、能源、交通、化工、生命科学等电 江苏大学硕士学位论文 气传动领域已经初步显出了极其重要的科研与应用价值。 径向磁轴承轴向磁轴承电机 径向磁轴承 图1 1 ( a ) 传统磁轴承支承的电机 1 1 2 无轴承电机的发展概况 无轴承电机无轴承电机轴向磁轴承 图1 1 ( b ) 无轴承电机结构示意图 无轴承电机的概念最初是由r b o s c h 于8 0 年代术提出i ，在瑞十的j b i c h s e l 实现了同步电机的无轴承技术之后1 2 】，无轴承电机的研究引起了广泛的重视。目 前瑞士、日本和美国等固家都大力支持丌展这项研究- 丁作。日本的a c h i b a 等人 对异步电机的尢轴承技术、永磁同步电机的无轴承技术、开关磁阻电机的无轴承 技术进行了研究刚4 】【5 】。瑞士的r s c h o b 研究了异步电机的无轴承技术和薄片状 无轴承电机。目前瑞士联邦工学院( e t h ) 在这一研究领域中保持领先，己有一些 成果转化为商品。无轴承电机一方面保持了磁轴承电机系统无摩擦、无磨损、不 需润滑等优点，另一方面还突破了临界转速和大功率的限制，大大地拓宽了高速 电机的应用范围。无轴承电机结合了电机和磁轴承的工作特性，是一种能够同时 实现转矩控制与悬浮力控制的新型电机6 1 1 7 】，其潜在的应用价值和复杂的运行控 制已成为目前高速交流传动领域一个新的研究方向。电机的无轴承技术具有无接 触、高可靠性、能够减小转子轴向长度和体积的优点，适合高速大功率运行，可 以有效降低系统成本并改善高速电机的动态性能。 目前，国际上对无轴承电机的研究工作非常重视，国际电工学科通常将无轴 承电机技术归类为电磁轴承技术一类，1 9 8 8 年在瑞士苏黎世召开了第一届“国 际磁悬浮轴承会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i cb e a r i n g l e s s ) ”，此后每两 年召开一次。美国航空航天局1 9 8 8 年2 月召开了一次“磁悬浮技术专题研讨会 ( aw o r k s h o po nm a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) ”和1 9 9 1 年3 月召开了一次“磁 悬浮技术在航天中的应用( a e r o s p a c ea p p l i c a t i o n o fm a g n e t i c s u s p e n s i o n t e c h n o l o g y ) ”的学术讨论会。此后从1 9 9 1 年起，在上下两届国际磁悬浮轴承会 议的巾间一年，召丌国际磁悬浮技术会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i c 2 江苏大学硕士学位论文 t e c h n o l o g y ) ，每两年召开一次。最近一次的国际会议是2 0 0 4 年8 月3 号6 号在美国肯塔基州大学( u n i v e r s i t yo f k e n t u c k y ) 召开的第9 届国际磁悬浮轴承会 议。 现在，国际上研究的无轴承电机的种类有无轴承异步电机、无轴承永磁同步 电机、无轴承单相电机、无轴承同步磁阻电机和无轴承开关磁阻电机等。从已发 表的论文来看，重点致力于无轴承异步电机、无轴承永磁同步电机和无轴承薄片 电机的研究。 国际上无轴承电机从2 0 世纪9 0 年代初至今已有近2 0 年的发展，二十世纪 八十年代初由瑞士学者提出，目前瑞士、日本、德国、美国、奥地利等均在大 力开展研究，瑞士、日本在此领域处于领先地位。日本学者研究开发了磁阻型无 轴承电机【3 1 ，感应型无轴承电机和永磁型无轴承电机【8 l 等样机。除了分析无轴承 电机的基本原理及推导电机电流、电压及悬浮力的关系外，针对磁阻型和感应型 无轴承电机的电流的转矩分量和悬浮控制分量的相互干扰，提出了几种不同的解 耦控制方法并用于实验，并研究了感应型无轴承电机的最优转子电阻值。针对永 磁型无轴承电机，研究了不同磁钢安装形式的轴承电机及其最优磁钢厚度值等。 但以上研究工作主要集中于试验研究、技术开发和证明各种结构的电机在无 轴承电机技术中应用的可行性，国际上对无轴承电机的研究只是处于一种探索研 究阶段。我国在此项技术起步较晚，直到2 0 0 2 年才见有相关文献报道。南京航 空航天大学、沈阳工业大学、浙江大学、江苏大学、西安交通大学和清华大学等 开展了这方面的研究，得到了国家自然科学基金资助，在理论和实验方面取得了 一些成绩。沈阳工业大学研究了无轴承电机在人工心脏血泵上的应用9 , 1 0 , 1 1 】；南 京航空航天大学在无轴承电机的磁场定向控制非线性解耦控制等方面进行了研 究【1 2 j ；浙江大学开展了无轴承异步电机优化气隙磁场定向控制研究，进行了永 磁型无轴承电机电磁设计及运行控制研究并已开始探索永磁型无轴承电机的无 传感器运行1 1 3 , 1 4 , 1 5 】。由于无轴承电机具有体积小、能量消耗小、较短的轴承和更 高的临界速度等优点，而这些优点对于卫星系统的应用又十分可贵，因此可以预 见，无轴承电机在空间应用和高速运行领域有着很好的应用前景。 无轴承电机的技术领域涉及机械、电子、自动控制、电磁学、计算机、信号 处理等技术领域，是一个具有高技术含量的综合研究领域。其性能特点使得它在 航空航天、生命科学、核反应堆等领域得到了厂泛的应用。目前比较成熟的有飞 1 江苏大学硕士学位论文 轮储能系统、无轴承密封泵、无轴承人工血泵等等，显示了广泛的应用6 景和重 要的科学意义。 1 2 无轴承异步电机的概述 1 2 1 无轴承异步电机的研究现状 无轴承异步电机具有结构简单、成本低、气隙小且均匀、可靠性高、易于弱 磁升速等特点，又可采用普通的笼型转子，机械强度高，可以运行在超高速状态， 受到了广泛的重视，是研究最早、最多的无轴承电机类型之一。但是，无轴承异 步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，具有复杂的电磁关系，其径向悬浮 力和电磁转矩之问存在着复杂的非线性耦合，要实现转子稳定恳浮和在不同工况 下电机无级调速运行，必须对电机进行非线性动态解耦控制。因此对于无轴承异 步电机解耦控制的研究一直是重点及难点。 目前，针对无轴承异步电机的强耦合特性，国内外提出了几种有代表性的方 法，主要有以下几种解耦控制方法：基于逆系统理论的非线性解祸法、幅值相位 补偿法和磁场定向控制策略。瑞士学者针对无轴承异步电机提出了一个近似线性 化的基于矢量变换的控制算法来实现电磁转矩和径向悬浮力之问的解耦控制，但 这种算法构造比较复杂，需要对多个磁链矢量进行控制，实现比较困难i l6 】；r 本学者分析了无轴承异步电机在空载和负载条件下径向悬浮力和电磁转矩耦合 的关系，提出了对电机电流的幅值和相角进行补偿来保持旋转磁场的平稳转动和 幅值恒定1 7 , 1 8 】。 针对已得出的结果，目前提出了在电机控制中使用最广的三种磁场定向方 法：转子磁场定向【19 1 、气隙磁场定向【2 0 j 【2 1 1 和定子磁场定向控制方法。总体来 说，这三种磁场定向控制方法都能实现悬浮力子系统和转矩子系统的解耦控制， 但气隙磁场定向控制算法复杂且转矩绕组的励磁电流分量和力矩电流分量之间 存在相互耦合，且该控制算法受转子漏感这一参数的影响较大，控制算法高度非 线性，不便于实现有效的无速度传感器技术，在高精度调速和超高速应用领域受 到限制。而转子磁场定向控制算法简单，能大大简化系统算法，但在电机负载或 转速变化时，悬浮力和悬浮控制绕组的电流不具有线性关系，悬浮性能会受到影 4 江苏大学硕士学位论文 响。定子磁场定向控制利用定子方程作磁通观测器，易于实现且不包含转子参数， 加上解耦控制后可达到相当好的动静态性能，然而低速时定子反电势测量误差较 大，无法精确观测定子磁链，电机的悬浮稳定性受影响。 在上述无轴承异步电机控制系统中，转矩控制予系统和悬浮控制子系统之间 存在气隙磁场信息传递，使得解耦控制策略受到诸多制约，解耦算法较复杂，缺 乏实用性。对此，国内学者提出了悬浮子系统独立控制方法，在线辩识转矩绕组 气隙磁场的幅值和相位，使得无轴承异步电机转矩绕组和悬浮控制绕组( 即电 磁转矩和径向悬浮力) 之间的独立控制成为可能。该方法无需转速或磁场反馈值， 算法简单，易于实现。无轴承异步电机悬浮控制子系统中，传统做法是通过位置 闭环来产生悬浮力控制信号，但由于系统响应时延，会使实际悬浮力与参考悬浮 力间存在误差，影响转子：悬浮的动态响应和稳态性能。文献 2 3 - - - 2 4 通过建立考 虑转子定位偏心时悬浮力的较精确解析表达，并利用该解析悬浮力模型，提出一 种带有悬浮力反馈控制的无轴承电机控制系统。结果表明，具有悬浮力反馈的磁 场定向矢量控制策略能有效地改善无轴承电机转子径向位置控制精度，能全面提 高稳定悬浮运行的动、静态性能。 在这些研究的基础上，本文提出了一种新的解耦控制方法：无轴承异步电机 转子偏心位移的直接控制。当转子发生径向偏移时，让转子回到平衡位置最有效 的方法是让转子受到与径向偏移反向的力，转子在x 和y 方向的位移由电涡流传 感器检测得到，x 、y 方向的转子偏移量经过极坐标变换后得到转子偏心位移o d 的大小和方向，经p i d 调节器产生径向悬浮力。在该控制系统中，转矩绕组采 用普通变频器供电，电机的悬浮控制系统实现了独立控制，和其它控制方法相比， 直接位移控制法是基于转子的偏心位移实现对径向悬浮力的控制，不受负载转矩 的影响，因此，这种控制方法更加直接有效，而且控制算法简单。m a t l a b 做的 仿真实验表明此控制方法可以保证转子的稳定悬浮，提高了系统响应的快速性， 实现了转子径向位移的直接控制。 1 2 2 无轴承异步电机的研究方向 目前，对无轴承异步电机的研究主要集中在理论分析和实验样机研制阶段， 距离实用化还有一定距离，随着无轴承异步电机研究继续深入，今后无轴承异步 江苏大学硕士学位论文 电机的研究方向大致集中在以下几个方面： 1 无轴承异步电机数学模型 无轴承异步电机数学模型是无轴承异步电机本体没计及其控制系统设计的 基础。主要包括磁链方程、电压电流方程、电磁转矩方程和径向悬浮力方程等。 目前使用的数学模型在推导过程中进行了一些理想化的假没，比如忽略了两套绕 组间的非线性耦合关系、定转子齿槽效应等，从而在数学模型中引入了误差。为 了获得高品质的控制性能，必需建立一个具有转矩绕组和悬浮控制绕组在内的统 一数学模型。 2 电机结构设计和参数研究 电机的设计是实现无轴承异步电机稳定悬浮运行的首要条件，这主要包括电 机尺寸、定转子结构形式、两套绕组的绕制方式、线径和匝数的设计等。相对于 普通异步电机而言，无轴承异步电机的设计分为转矩绕组设计和悬浮绕组设计， 转矩绕组设计可以参考普通异步电机的设计，它决定着电机转速、转矩等性能指 标；而悬浮绕组设计决定了电机磁悬浮力指标，是无轴承异步电机设计的关键。 现有的设计研究集中在电机样机：悬浮力与悬浮绕组电流的关系分析上，并以验证 其悬浮性能为目标。而如何能从电机设计之初即能实现悬浮绕组优化设计并对其 悬浮力和悬浮性能进行预测和把握，这是无轴承异步电机设计中的一大难点。 3 ：悬浮子系统单独控制的研究 在目前研究的无轴承异步电机控制策略中，转矩控制了系统和悬浮控制子系 统之间大多存在气隙磁场信息传递，导致解耦算法复杂，缺乏实用性。因此，有 必要实现转矩控制子系统和悬浮控制予系统之问相互独立控制，使悬浮性能和调 速性能不受相互影响，增加了系统的可靠性，促进无轴承悬浮技术向高速化、实 用化方向发展。 4 电机解耦控制算法的改进 无轴承异步电机是一个强耦合的非线性复杂系统，实现其电磁转矩和悬浮力 之间的成功解耦是电机稳定悬浮工作的关键。从目前研究现状来看，主要有以下 几种解耦控制方法：基于逆系统理论的非线性解耦法、幅值相位补偿法【1 8 】和磁 场定向控制策略1 1 6 】1 2 0 】。上述控制方法基本上都能实现无轴承异步电机的解耦， 但是都没有提出有效地针对铁磁非线性饱和、大动态及过载下转子参数变化的实 6 江苏大学硕士学位论文 际状况下电机的控制策略。因此，如何简单有效的实现无轴承电机的电磁转矩和 径向悬浮力控制之间的动态解耦控制，是无轴承异步电机研究的重要课题之一。 5 转子径向位移的精确探测。 利用探测线圈实现对转子径向位移的探测，必须进一步建立其精确的数学模 型，其检测方法也有待改进；此外要提高转子位移的检测精度，必需增加探测线 圈的匝数，或考虑商接利用悬浮绕组来实现对转子位移的检测，如何实现对转子 位移的精确检测是无轴承异步电机研究方向之一。 6 数字控制器硬件和软件的研究 随着d s p 技术和电机控制技术进一步发展，提高电机数字控制技术是目前 研究的热点之一。目前无轴承异步电机数字控制技术还不完善，对其硬件和软件 进行研究可提高控制系统的可靠性和工作性能。为满足其更高的性能要求，控制 器的数字化、智能化、集成化是必然的发展趋势，设计的控制软件的功能也要求 越来越完善，可靠性更高。随着数字信号处理技术、电子技术等的进一步发展， 为研究多功能、高性能的数字控制器提供了硬件条件和技术保障，使得无轴承异 步电机向多功能、数字化、智能化、集成化和模块化方向发展逐渐成为现实。 1 3 课题研究的意义和研究内容 无轴承异步电机足近几年发展起来的一种新型高速电机。它利用了磁轴承与 电机结构相似性，把产生悬浮力的绕组叠绕在原来异步电机定子绕组中，使悬浮 力绕组与电机的电枢绕组合成一个整体，因此与传统的电机相比，它不仅具有无 摩擦、无润滑、无机械噪音等特点，而且齿槽脉动转矩低，弱磁范围宽，是最具前 途的无轴承电机之一。从电机结构上看，悬浮力绕组线圈不再占有额外的轴向空 间，减小了电机体积和重量，从而拓展了高速电机在大功率和超高转速领域的应 用。因此围绕无轴承异步电机的核心技术丌展相关研究和实验工作，对提高我国 无轴承电机的研究和应用具有重要意义。 本文以无轴承异步电机作为研究对象，在充分研究无轴承电机工作原理的基 础上，深入研究了转矩绕组和悬浮控制绕组气隙磁场的耦合关系，分析推导了基 于麦克斯韦力的无轴承异步电机径向悬浮力数学模型，建立了转子偏心情况下的 无轴承异步电机的数学模型。在此基础上，分析了基于转矩绕组转子磁场定向的 江苏大学硕士学位论文 无轴承异步电机的控制策略，并进一步提出了一种全新的控制策略直接位移 控制。最后给出了无轴承异步电机直接位移控制的数字控制系统的结构框图，在 m a t l a b 里面进行了仿真验证，并搭建出了基于d s p 2 4 0 7 的数字控制平台，进行 了软硬件的设计。本文的具体内容如下： 第一章首先阐述了无轴承电机的研究背景及在国内外的发展概况，然后介 绍了无轴承异步电机的研究现状及发展方向，最后对本文选题的主要意义和论文 的内容安排做了概述。 第二章首先介绍了无轴承异步电机的工作原理，然后分析了无轴承异步电 机内部磁场力产生的机理，建立了无轴承异步电机的数学模型，并对无轴承异步 电机三种磁场定向控制方法进行了阐述和比较。 第三章针对无轴承异步电机电磁转矩与径向：悬浮力之间存在的强耦合关 系，建立了基于直接位移控制的无轴承异步电机控制系统，并用 m a t l a b s i m u l i n k 软件对控制系统进行了仿真研究。 第四章详细介绍了无轴承异步电机数字控制系统的硬件设计和软件开发， 并在设计的实验平台上，利用t i 公司d s p 的集成开发环境c c s 2 0 0 0 对系统进 行调试，进行相关实验研究。 第五章总结论文所做：f 作及取得的研究成果，并提出需进一步研究的工作。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承异步电机基本原理 无轴承异步电机是近几年发展起来的一种新型高速电机。它利用了磁轴承与 电机结构相似性，把产生悬浮力的绕组叠绕在原来异步电机定子绕组中，通过悬 浮控制绕组产生的磁场来改变气隙中合成磁场的分布，从而产生径向悬浮力来实 现转子的稳定悬浮。本章阐述了无轴承异步电机的工作原理，分析了无轴承异步 电机悬浮力产生机理，建立了基于电机内部磁力的无轴承异步电机的数学模型， 这种：悬浮力模型足从电机内部磁力来考虑的，电机中存在着两种不同类型的电磁 力：洛仑兹力和麦克斯韦力。 2 1 无轴承异步电机的工作原理 无轴承异步电机的径向悬浮力的产生示意图如图2 1 所示，在电机的定子槽 中，除了传统电机转矩绕组外，还嵌入了用于产生径向悬浮力的绕组。两套三相 绕组叠绕在同一个定子槽内，其中的四极绕组为转矩绕组，用来产生电机转矩， 另一套二极绕组用来控制转子的径向位置，称为悬浮控制绕组。其中，p j 为转矩 绕组的极对数，见为悬浮力绕组的极对数。p l = 2 ，由绕组m 和n 构成，用来产 生旋转磁场和电磁力矩；p 。、p ：的关系满足：p 2 = p j 1 时产生可空的悬浮力。 p 2 = 1 ，由绕组。和，构成，用来产生径向悬浮力。 卜磁密减少 图2 1 径向悬浮力产生示意图 9 江苏大学硕士学位论文 当n ，和n 绕组没有电流通过时，转矩绕组产生的四极磁场缈。均匀对称分 布，没有悬浮力产生；当在，绕组上通入如图所示方向的电流时，产生的二极 磁场：的方向和四极磁场。一致，它们j 下相叠加，使得区域2 处磁场增强，区 域l 处磁场减弱，不平衡的气隙磁密产生沿x 轴正方向的麦克斯韦力，使的电机 的转轴沿x 轴j f 方向移动。相反，如果n 。绕组上通入如图所示反方向的电流时， 合成的气隙磁场将产生沿x 轴反方向的麦克斯韦力。同理，如果在，绕组中通入 电流就可以产生沿y 轴正方向或反方向的径向悬浮力。这样，可通过控制悬浮绕 组j 。、n 电流的大小和方向来实现转子的稳定悬浮。 2 2 无轴承异步电机内部的磁场力 2 2 1 洛仑兹力 洛仑兹力作用在载流导体上，异步电机的旋转力矩就是基于它产生的。洛仑 兹力沿切向作用在转子上产牛转矩。设异步电机定子铁心长度，定子内径r ， 气隙感应分布率口( 劝和定子圆周的电流分布率彳( 功，则沿圆周单位长度的洛仑 兹力( 作用于转子上的) 为 a f , = 一彳( 伊) b ( 缈) ，d 缈 ( 2 1 ) 式中够为空问向量角。 将上式沿圆周积分，得到沿五y 方向的洛仑兹力为 耻一，纠她劬) ，m o s 咖 ( 2 2 ) 【乃= 一r ”么( 缈) b ( 缈) ，s i n 伊d 缈 设电流和磁场均为正弦分布，对( 2 2 ) 式积分可得洛仑兹力公式为 耽7 厂1 ： 吒= - f , c o s ( 2 一) ，巧。= 巧s i n ( 2 - t ) ( 2 3 ) p 2 印l + l ： 瓦= 巧c o r 4 a 一以磊= 巧s i n ( ) t , 一力 ( 2 4 ) 式中为转矩绕组磁场初始相角，旯为悬浮控制绕组磁场初始相角， l o 江苏大学硕士学位论文 巧= 竺半，二，雪分别为电流密度和左e 隙感应分布率幅值。 由公式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 得到图2 2 的洛仑兹力向量图。 。y f。i 筋五。 名一3 j 磊。 、一j 只7 v e ， p 2 = p l 。1p 2 = p l 十l 图2 2 洛仑兹力向量图 根据电流和磁链的定义及矢量的点乘和义乘原理，将公式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 用d ， g 旋转坐标系下的分量表示 海千k 麓i 髯1 二艺劣 弦5 ， i 磊=( ：。d 一：d 一。) 、。 式中下标“1 ”、“2 ”分别对应转矩绕组和悬浮控制绕组； 下标“s 、“， 分别对应定子和转子量； = 会鲁，、分别为转矩绕组和悬浮控制绕组每相串联有效匝数； 霸d ，蜀口为气隙磁链分量； 妇，锄为悬浮控制绕组电流分量。 2 2 2 麦克斯韦力 磁路中在不i 司磁导率( 如空气和铁心) 的磁性物质边界上形成的磁张应力称 为麦克斯韦力，该力的作用方向均垂直于电机转子的表面。如果电机中的磁通是 对称分布的，其麦克斯韦合力为零，如果转子偏离了电机定子的中心而引起电机 磁通分布不均匀，则麦克斯韦合力就不为零，其作用方向和转子偏心的方向一致。 一般情况下，麦克斯韦力比构成旋转力矩的洛伦兹力要大。 江苏大学硕士学位论文 图2 3 引入悬浮绕组后产生的麦克斯韦力 设铁心和气隙的磁导率为胀、肋，交界面，| ：的法向磁感应强度和切向磁场 强度是玩、，由于磁力线进出铁心时基本乖直于铁心表面，则1 - 1 , 0 。电机中 铁心和气隙边界+ 卜单位面积的麦克斯韦力由下式表示 哎：譬丛( 研+ 鲰研) 兰 ( 2 6 ) 2 p f e l t o2 , u o 由式( 2 6 ) ，作用在转子外表面面积微元d a = l r d o 上的麦克斯韦力为： 蛾：_ b 2 d a ( 2 7 ) 2 p 0 不考虑齿槽效应和磁饱和，由转矩绕组( p 1 对极) 和悬浮控制绕组( p 2 对极) 在电机气隙中产生的合成磁密为 b ( 缈，) = 摩c o s ( p l 缈一q ，一) + 息c o s ( p 2 c p 一吐，一五) ( 2 8 ) 将( 2 8 ) 式代入( 2 7 ) ，并对( 2 7 ) 式沿圆周积分得到麦克斯韦力为 p 2 = p l 一1 ： = 吒c o s ( ；t - , u ) ，吒，= 一s i n ( ；t - , u ) ( 2 9 ) 忱印l + 1 ： = 吒c o s ( 2 - p ) ，= c s i n ( , ；t - , u ) ( 2 1 0 ) ：竺丝 ( 2 11 ) 2 p 0 1 2 江苏大学硕士学位论文 由公式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 得到图2 4 的麦克斯韦力向量图。 y i 、 f f一面l 鼹套 允一1 jy 门 f 解。 一 c 7 一r e p 2 = p l 1见印l 十1 图2 4 麦克斯韦力向量图 每相气隙磁链为： 一。：办：堡堕彬，。：唬：堡堕 ( 2 1 2 ) 三相绕组合成气隙磁链的空间向量幅值为 一= 昙少。，r 2 = 妄。 ( 2 1 3 ) 忽略：悬浮力绕组在转子中产生的感应电流，则 吵2 = l m 2 i , 2 ( 2 1 4 ) 式中触为悬浮控制绕组瓦感；幻为悬浮控制绕组电流。 将式( 2 1 2 ) ( 2 1 4 ) 代入( 2 11 ) 可得： e ：堡些 ( 2 1 5 ) 锄 1 8 r o l r 彬 、 根据矢量的点乘和叉乘原理，将公式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 用d ，g 旋转坐标系下的 分量表示为 藩- t k - k 络瓷l s 2 麓d ， 亿旧 l ，=。( ：。甲。j 一影。) 。 其中k = 丽z p l p 2 l 2 。 式( 2 1 6 ) i j i 为引入悬浮控制绕组后，产生的可控悬浮力，为气隙中转矩绕组 气隙磁场与悬浮控制绕组电流相互作用所产生的悬浮力。在保持气隙磁场恒定条 件下，其大小与悬浮控制绕组的电流大小成正比。只要控制悬浮绕组的电流，就 江苏大学硕士学位论文 能控制作用在转子上的悬浮力。 2 2 3 转子偏心时的不平衡磁拉力 假设悬浮控制绕组中不通入电流，则电机中的磁通是对称分布的，其麦克斯 韦合力为零。如果转子偏离了电机定子的中心， 将引起电机磁通分布的不均匀，则麦克斯韦合力 就不为零，其作用方向和转子偏心的方向一致， 指向气隙最小处，该力即为不平衡磁拉力。设g o 是定转子中心重合时的平均气隙长度，o d 是转子 偏心位移，如图2 5 所示。 气隙长度g ( 砂可表示为缈的函数 图2 5 转子偏心时气隙图 g ( 缈) = g o o d c o s ( 口) = g o 1 一e c o s ( q , 一口) 】 ( 2 1 7 ) 其中：坐 g o 设定转予同心时的气隙磁密为 骂( 缈，) = 磊c o s ( p j 缈一( - o i l 一) ( 2 1 8 ) j j l j z , 当转子发生偏心时，气隙磁密玩( 功也是关于缈的函数 吃( 缈，) = 嵩e ( 缈，) ( 1 + c c o s 缈) = 局c o s ( p “p - r o d 一1 ) ( 1 + 占c o s 妒) ：a lc o s ( p 。缈一q ，一) + c o s ( p i + 1 ) o - r _ a , t - p 】 ( 2 1 9 ) + 等【c o s ( 乃1 ) 缈一q ，一】 利用公式( 2 7 ) ，作用在转子上的不平衡磁拉z o o s c 2 严2 互r p t 。”踟) c o s ( 州缈2 丢鲆p ( 2 2 。) 公式( 2 2 0 ) 的磁拉力公式并没考虑磁饱和、齿槽效应及电机结构等因数的影 响，实际的磁托力要小得多，需要引入衰减冈子k 。一般无轴承异步电机取0 3 ， 这样一来实际作用在转子e 的麦克斯韦力为 1 4 江苏大学硕士学位论文 瓦= 七罴廓 r 2 露丢群 2 3 无轴承异步电机数学模型 ( 2 2 1 ) 为了简化分析，对无轴承异步电机先做如下假设： 1 三相定子绕组和转子绕组在空问对称分布，电流产生的磁动势在气隙中正弦 分布，忽略其空i i j j 谐波。 2 假定无轴承异步电机转矩绕组和悬浮控制绕组a 相绕组轴线方向重合，并定 义为口方向。 3 忽略铁心损耗和涡流损耗。 4 各相绕组的自感和互感都是恒定的，即忽略磁饱和的影响。 不考虑频率和温度变化对电机参数的影响。 2 3 1 径向悬浮力的数学模型 根据电机电磁场理论，当转子和定子偏心时，由于气隙不均匀而造成气隙磁 场的不平衡会产生偏心磁拉力，这足一种固有的麦克斯韦力，其表达式为 j 鲁。致x ( 2 2 2 ) 1 名= k s y 式中t ：七竽堕，为径向位移刚度；后为衰减因子，与电机的构形有关，无轴 承异步电机一般取o 3 l2 5 1 。 电机内部磁力的无轴承异步电机：悬浮力是由麦克斯韦力和洛仑兹力在不同 的方向的分量叠加而得到的，由洛仑兹力和麦克斯韦力的向量图可得，当段印i + 1 时，洛仑兹力和麦克斯韦力的方向相同，当p 2 = p l - l 时，两力方向相反。 令f = r o + f 为悬浮力可控分量则 江苏大学硕士学位论文 c2 ( k k ) ( 一d 2 a + 9 r j l ”c z ，) = k ( d z d + 一。：。)( 2 2 3 ) c = ( k 蚝) ( 彤d ：。一彤，i s z d ) = k ( 一，z d 一彤d z 。) 式中k = k k ，当p 2 = p l + 1 时取j 下号，p 2 = 局- 1 时取负号； 由于k i = a 2 r 彬0 0 1 ( 假定p l = 2 ) ，故洛仑兹力一般可忽略不计。 2 3 2 电机转矩部分数学模型 转矩绕组电流( p l 对极) 产生的旋转磁场在转子上感应得到极对数为p l 的 电流，两者相互作用产生转矩。当采用鼠笼式转子时，悬浮控制绕组电流( p 2 对极) 产生的旋转磁场也会在转子上感应得到沈对极的电流，同样能产生转矩。 此时，鼠笼式无轴承异步电机可看成两个极对数分别为p l ，见的电机来描述，两 个电机之间只存在机械耦合，整个无轴承异步电机的转矩为两个电机转矩相加而 成。但由于悬浮控制绕组中电流相对较小，简化起见，可忽略它产生的转矩。由 此得到的电机磁链方程、转子电压方程及转矩方程可表示为【3 2 】 磁链方程 黔臻锈 2 4 ， 【影。= 匕。+ 。 转子电压方程 u 舢2 b l 。r l d + p r t ，一( 署，+ - ，。) ( 蚴一q ) = o ( 2 2 5 ) i u ，l q = b l f ，l q + p l q + ( 一d + t l ，l d ) ( q q ) = 0 、。 转矩方程 乃= p l ( l g 彤d l s l d 彤g ) ( 2 2 6 ) 式中厶l 为转矩绕组互感；l r l ，为转矩绕组转子漏感；甜l 为气隙磁场转速； ，转子转速；b l 转矩绕组转子。 2 3 3 电机运动方程模型 设m 为转子质量，为转子转动惯量， 上外加干扰力分量，则电机运动方程如下 l + 氏一只= 耐 b + r 只，= 彬 1 6 死为负载转矩，b ，b 分别为x ，y ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 江苏大学硕士学位论文 z 母岳鲁 ( 2 2 9 ) 根据公式( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 得到图2 6 的转子悬浮系统运动方程示意图。 图2 6 转子悬浮系统运动方程示意图 2 4 无轴承异步电机的三种磁场定向控制方法比较 集旋转与悬浮于一体的无轴承异步电机是一个非常复杂的非线性系统，其电 磁转矩与径向悬浮力的非线性解耦是实现电机稳定悬浮运行的基础。针对这一强 耦合的非线性复杂系统，引入磁场定向控制技术【2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 】。磁场定向控制也称矢 量控制，最早由德国b l a s c h k e f 等人提出，以后经许多人努力逐渐完善，并已 作为一种基本的原理和控制方法被普通使用。它的摹本思想是，考虑到异步电机 是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控 制电磁转矩，但若根据直流电机和交流电机在产生电磁转矩的基本原理上的相似 性，以磁通这一旋转的空问矢量为参考坐标轴线，经过一定的数学变换或坐标变 换，则叮以把定子电流矢量中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量实现独立 控制。这样，通过坐标变换重建的电机模型就可等效为一台直流电机，从而可像 直流电机那样进行动态的电磁转矩和磁通控制。在电机控制中使用最广的磁场定 向控制可分为转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向三种控制方法。 2 4 1 转子磁场定向控制 在同步旋转d q 坐标下，异步电机的磁链方程、转子电压方程及转矩方程 可表示为 磁链方程