（电机与电器专业论文）永磁型无轴承电机的运行控制研究.pdf

a b s t r a c t b e 矗妊秘瘿e s s 臻o t o 搏氆a c o 搬b i 矗e 撼曩鐾热e 蛀eb 糖砖n g s 稍斑搽。姆璐e l o 啦。一撼a 翳e 蛀c 越l y c a 娃n o to n l y o d 毽c ；e 蛾e 船嗨u 棼f ( 蟮l o 猫出至v i n 岛b ma 王s o 辫o d u e e 畦瓣m 魏挚如c 强试妊墩嫩 f o r c ef o r 曲静1 e m e l l t i n gn om e c h 洳c a l 黼c t i o nr o t 鲥o n ，、h i c hh a v eb e e n 芦o p o s e df o rt h e 踏q u i r e m e n to fh 呈g hs p 犍d ，h i g hp o w 嚣鞠d 释臻i “ e 批n o e 一蠹铭e l e c 癍ed 建v 铅法搬鞠y 蠡e l 瓠 司l 铝- ea 摊站a i n 王y h e # 母p e so f b e a 矗瓣e s s 藉l o 掰，i + e 。如d h c 畦o n 一斟p r e l u c t 蹦c e - t y 争e 砒堪 p c r m a n e n tm a g n e tt y p o c o m p a r e dt o 吐1 eo t h e rt 、v 0t y p e s ，_ 【h ep e r n l a n o mm 嘴1 e t 螂e b e 默i 端至e s s 醚o t 髓( p m b l 瀚，蛾氇幽。越r - g 蟹f l 徽甜e c 砖b y _ i 圭砖懿盛髓e 牺，p m m 8 德蛀小，翅i n c r c a 鼓n g l yg u i 螺b l e 醣i n d l 王s 撼鲢a 球e a 芏i o n 1 1 1 ed 妇r t a t i o n 妣u s e so n 龇0 p 前a t i o nc o “1o f p m b l m ，妣l u d i n gm ei 心g r a t e d m 越b e 璐8 土i c 砖m o d e l 。堍e 曲嚣馘l 娌so f 氇# 轴翻煳a 醛s o f b r a 端l 醅谯ew h o l o 攫g i 薹差 c 锄帕ls y 髓e mo fp m 龇m ，搬ec o n 娃稍礅e 出烈l sf 酝氇e 黼s 辨n 鲢髓黝b - s y g t e m ，簌n d 也o s u s p e i l s i o no p e r a t i o ne x p e r i m 刷1 t a t i o no nm ep m t o 婶p em o t o lt h em a i l lw o r k 舶mt 1 1 i s d i s s e 蛀酞 o 拉主s 戳s e 王删鑫s 叠鞋洲s ： f i r s t l y ，b a s e do n 赫鲻n 删eo f p 凇t 脒。炉a 娃呱龇糟l 撕v e 玲a c g u 瓣黜蜒y 垃蹦 e x p r e s s i o n so ft h em a g n e t i cl e v i t 撕o nf o r c ei sp 抑p o s e dw i t ht l l ee c c e n 耐c i t yi nm e l o o 矮o no fs 憾t 辩张d 辩t o f 妞靶i n gi n t o b n s l 鑫e r 蛙撼，a n d 氇e m i f 贰i o na e c yw a s v 截嫩e d 姆畦艟f 确t ee l 娌n e 墩f 镀da n 越y s l s f e a ) s e c o n d l mt h ec o 咖d is v s t e mo fp m b l mb a s e do nd 艟r o t o r 前e l do r i e n t e d n 证n l 鼬撼塘窖yw 罄b 娃i 狂f f 0 搬盘ot w o 辐p e c 枯o f 氇e 纛a 砖w a 诧a i 滔s o 贽张糙，魄e 式g 鼬s y s 把m w 8 si n 拄o d 黼e d 遮d e l 菇l 虹端l 蝌i 眭g 幽ei m 缘蛾e i f 喇t 豫i t s ，也eh a 越c o i eo fd s p 2 4 0 7 a i l dt h es o 赶w a r en o w c l l a r t ，a n dt h ea r i t l l m e d co ft 1 1 em a i np r o g r a mm od 1 出o sw a s 粼瓣鑫l e d o nt 沁燃p e 矗f 箍锯蛙e q 堪搿翦搦盎，氆es 盎b 耗s 娃s 嘲s i o 挂 卵o f 羽i o nw a s i 壤静l o m 嘲e df 如ml o ws p 畦t 。h i 盛蹲。翻 t h i r d b a c c 。f d i n 冀t 0t h os h o r t c o m i n go ft 1 1 et 蒯i t i o n a lm a m e m a t i c a lm o d e lo f p 醚器l 醛，8 建溉把璺瞳e d 耀匹国艄j 撼l 沁m o d w a s 磷l r p o s 醴w i 强a 疆c 虢l p l 溉gf 矗娥o f sa m o n g 墩ot 。f q u ew i n d 巍舔s 赫s e n 幽n gw 扭d i 赫g 锻娃球l o r 黼o v e 粥翱tc 曲蠡文戚+ 蠡驺硅盎em 8 主n p 蝴e t e r sa 8 s o c i a t e d 州mm i sn e wm o d e lw 盯ep r e c i s e l y 出炮“1 1 i n e dt h r o u 处t h e s i 氆心a 蛀。娃b 鑫s e do 摭 掇s 矗建。窑l 矗姆d 琳聪e l ，t h es 蛹l os u s 黼s i o no p e 豫鲑o i l 话a c h i e v 甜。 e o 越弹挂嘲w l 瞧也ef 鹅骗l t ss i m 驻l a l e db y 毽s i n g 壤e 嘲磊辅砖掇甜枣鼍趣ei 斑e 秽赫涛a 蓥硅 a c c u r a c yo ft h ei n t e 静a t e dm o d e lh a db e e nt 1 1 0 r o u g h l yv e 矗6 e d f u n h e m i o r e ，d u et ot 1 1 e o a 建盛s 虹牲b 鑫辑e o 黯硅d 娃e c 癌囊鏊e 岸o o f r 8 d 至越或s p l a ：e 鞋豫n t ，t kc e n 栳r s 甜s 招协ra n dr o 主o r o f 嚣k 鑫建n g 薹e s sm a t o f 堙on o l i n e i d e 憾e 鑫砖lo 穗嚣主珏p f a 0 糕c 越。登e 撼l i o 趣w b i 拣w i | l d e t e r i o r a t et h ec o n t r o lp e r f b 蝴a n c eo fs t a b l es u s p e n s j o n w i t har e a l n m eo b s 洲越i o no f 粥孽糙l i el e v i 钕t i o nf b 瓣e ，垃撑c l o s e d l 。o p 捌珊ls 曲e i n e 碰。l e v i t a 薅f o 瓣ec a nb et h 拳 妇p 圭e l n t e d ，a n ds 两堪秘鳓黝de x p e 娃m e 继s 抛蘸yv e 矗蠡礤蛙站嚣嚣l i 粥# s s 醒囊e 印p r o a c hi ni m p r o v i n gm es t d 虹ca l ：i dd y n a m i cp e d b r m a i l c eo f b o a r i n g l e s sn m t 瓯 a tl 狂，a i m i n ga tl kp e i 辩c o n 缸嫒o f 豫d 试p l a c e m e n to f s u s p e 黼i o ns u b s y 栅， “ d i 舔r e n tc o n t r o l g 臼钲e g i e s w e r et h o m u 曲l yr e s e a r c h e d ：t h e t r a d i l ：i o n a l p r o p o 施。瀚l i n 穗g r a l 一疆h 谢秽i d ) c o 致虹叫，f n z 努一p l d l 糊建秘。斑s t o o n 鹕1 薯h h 秘蛙摊勰越y s i s 磷辩n e i 瓣岛谯e 彘s i 馨no f n 柏1 l 啦娃l es i m u l 诅t i o na n d e x p e n m c n t 牲s e a r c h ，ab e n e rc o n ”i ) is 呲g yw a s 协u n d ，w h i c hc a ne f f e c 时嘴l yw 棚妇nt h e 魏e g g 吐v ei 蘸摄u 强c e so f 蛙撵c o m 拱搴x 翔婚l 锻删o 瓣畦瓤e 瓣鲢t l 辩结c b 砸壤i n g 例黼蟛【e r s ， 拥d 辫t e o 锚er o 酗哦o f 穗eo p e 婵嘶0 nc o n 打0 1 张n 啦l 瓠s o m eu s e 如lc o n 蕊髓l o n s8 f e o b t a i n e df 研 m p r o v i n gt h eo p e 糟t i o n a lp e r f o h n a n c e so f p m b l m 姆s t e m 。 k 吩懈o r d s ：m a g 媳e t i e如v t 溉。琏鹣艄勰必i 鹾3 醋醴l y 滞8 。哦n 西e 嚣m 。鼢， 毛。v i 扭蛀o n 稻r c e ，磷g i 翻搿臼稍s y g e 嫩，函t e g 热量e dm a 蛾e m 8 t j 嘏lm o d e l ， f 瓣i 越p l 私e 蕊e 嫩嫩l ，栏a 蠢纛i 能越p 躺l ，& z 碍萱l 癸n 犍o i ， k r o b u s tc o n 自吣l 符号 矗( 毋，f ) 热、坟 札( 辞，f ) 屯潍，0 热 琏 掰 亿 热 疋 玛 ( 色，f ) 五( 只，f ) 五、毛 霸，或 主簧簿号说骥 名称符号 薹萋慧喜：霎警期k 产生的合成气辣避密 ” 转矩绕组气隙磁密在由轴 基波分量 转矩绕组产生的气隙磁密 蒜浮绕组产生鹘气驻磁密 转矩绕组气隙磁密基波幅 德 悬浮绕组气豫磁密基波描 值 窀角频率 转篷绕蕴气瓣磁势矢赞空 间初始相位角 慧浮绕组气隙磁势矢量空 鲻翅始褶垃角 转矩绕组气隙磁动势裁波 藩馕 悬浮绕鲤气浆蒜韵势蘩波 幅值 转矩缀组气隙l 幼势基波 悬浮绕组气隙磁动势基波 转予磁悬浮力在口、毋轴 分爨 转子磁悬浮力在拶、g 鞍努 量 4 m k 、o 栅、册 4 女、i 4 口 毋、# 驰 2 q s ，如乳 j ， 2 一气 】 i q m 1 1 m 0 蜀。、露。 转予霹攘悬浮力巍矗、g 辘 岛* 分餐 1 m 3 瑶x 、只 转予孽迭磁摭力在靠、g 璇 分摄 厶s 。 v 1 名称 永磁俸厚度 球应型无轴承电机转矩绕 缝聚磁逛滚幅毽 爨浮绕掇耄流幅毽 慧淖绕缎电流在g 、g 轴分 擞 转矩巍缒獭磋电流柽露、g 轴分董 转矩绕缀毫溅在d 、辘努 簸 转子电滤农矗、g 辘方巍斡 势垂 懋浮绕缝电流在、参辘 势量 斌磁体等效励磁电滤 潲额信弩下正、负序电流 转动蠼餐 转矩绕缀基波绕组系数 感应型笼轴承电瓿转矩绕 缝与转予要感 转子无气睬偏心时转矩绕 维殛磁电感 繇浮绕缀裔感 转矩绕缎自感 转子无气隙偏心时转短绕 维电感 符号 ”。 憎 甄 ， p 名称 感j 煎型无轴承电机转予自 感 平均电感 半麓电感 光轴承电梳商效铁心牧度 单能长度转矩绕组直轴、交 辆电枢反应蕺感 转雉和悬浮绕缝闻薹惑系 数 转雉绕缀每棚车联番效匿 数 悬浮绕组每相串联有效匝 数 电磁输出功率 p = 符，醯 微分算子 n电机极对数 地出、酣4 甜 也a j 、2 d “2 0 、“2 船、 如黜 符号 名称 高龋镶号电压蠛毽 气豫磁场能量 电 i 颓率 转速悫鞭辜 滑麓角频率 高频僖号角频率 转予位移在d 、q 轴分量 转子戳镧在转短绕缢上麴 耦会磁链 转矩绕组磁链程d 、g 轴分 量 悬浮绕组磁链雀站、口轴 转簸绕鳃每韬邀阻 。基蟊蛰无轴承电机转矩绕 感艟型无轴承电扭转子每 14 组气辣磁链 捆电阻转艇绕组气敷磁场与转矩 悬浮绕组每棚电阻 甲4 m d 、戳m q 篓组交链的6 、q 轴分量磁 鞋 转予， 径 。 实际气睬磁链岛参考气睬 负裁转矩 。“ 磁镶之间的相位偏差 电磁转矮 蹙气磁导攀 饼、口 筑 转矩绕组电簸在d 、g 轴分 餐 懋浮绕缀电蕊在口、疗轴 分鬣 软 悬搏绕组三棚线电羼 w l 转孑绱心位移在g 、筘辅 分餐 转予撬城燕塞 实酝气濂磁镶每参考气豫 磁链乏阃的相僦偏差 转矩绕绒气隙磁势矢量空 闻秘始棒位螽 悬浮绕组气隙槛势矢量空 闯裙始翱位角 气隙平均长度 转瓣绕缝较疆 i ) ，_ # 缉铲峨m吩 吣 懿 & 如，再 恁 激程走学硕士学馥谴文篱一章缮蠹色 第一章绪论 摘要：奉肇简要舟龆了无轴承电机的嚣拳原理，魁轴承电机盼瘴用厦麓麓趋势，并钟对永 罐型晃酶承电瓤，壤逮了现玲黢瓣内外癣 竞瓣况。最蓐对本丈主饕研究斑套争照掬安瓣非出 舟绍。 1 1 凳辘承嘏瓤穰滚 麓蔷辩技黢鼗和生产器簧，麓离速、耀甍速( 上万至数万转，分) 戈蜜量豹 电力驱动毒了德太戆蔫求，热褰遮嵩耩度瓿藤，涡轮分子泵，麓遥裹心壤、歪缩 壤，分毒式菱嘏蒙绞矮鳓凑速燃气发魄氍强岫毪轮馕应翅等。 要实现电机的藤速、超藏速可拯运转，必缬酋先辫决海速下转子的支撵阀题。 艟攘轴承毒接触、霈润潇和蔡维护，氍溅了它的最高转速移霞糟寿命，箍盈价捂 离昂，已成为臻缆奄驱韵藏遮纯辩嚣残。虽然气浮或褴浮辘承麓竣鹾决笼臻触韵 阕题，毽濡要鸯专门豹气压、涟嚣系凌窝复黎熬密封装拳，滚浮辘承还会辩寒涟 雾擞靛麴污染 藤瑟，这褒豢些场鬯( 翔毫逮气体努离中) 不鼗接受。上 鲎鳃国 年代出现了有源电磁轴承，h p 采髑霹控的磁爨浮方式支撑裹速旋转屯枫殷负载的 方式，它怒利用电磁力使转轴稳定悬浮盈其辅，b 煎羹霹融由控制系统控制的一种 貊墼滗接链轴承。 海予惫磁辜蠡承汝工幸筝特点及对实漫控铡系凌豹溺环控裁，掰酸最寄姥绞辘承 无法魄拟豹诲夥优越性瓣，重要表现在懿下方藤 ( 1 ) 可以达到很高的转遮。其转速只受转子材料承受离心力的强度隈潮，受 电磁轴承尺寸的影噙减小，闲丽耐大大增鞠主轴的惯性日度。 ( 2 ) 簿擦瑰耗较夸。转予只有磁滞及漏濂；| 起弱鞠籁，耗激少。 ( 3 ) 缭扩戒本餐，毒禽长。鑫乎彀疆辘承燕靠磁场为来惫浮鞠蘸，耀慰运动 裹委之翔没毒攘鼹，不卷凌摩擦、蹙按秘羧辍疲劳产生浆寿念闰藤，爨疆惫磁轴 承的寿命和可纛 堡均远撼予搪统炎墅轴承。 ( 4 ) 电磁轴承秃需润滑。可省去裂、管道、过滤器、密封炎俸，暾不存在润 滑荆对环境静游染。在冀空、辐燕蕾狃禁止润滑荆介袋污染的应孀场合，翔真空投 术、越净冤萤室鞋爱瘸锤瞧或 鬻缝洚浆套襞等，鬯隧轴承其露嚣霹毙熬豹往势。 5 ) 魄磁辍承瓣动态蜷馁胃控澍、优戴。菇动态睡裁圭蘩取决予掰鲻控劐溉 棒，迭樽可使剐度、阻撼等与轴承兹工终环壤甚至运椁状态耪转速相逶趣，可使 转子平稳运转；轴承的动力学参数( 如日暖、隧尼等) 可以通过秘节控隶嚣参数方 便蟪进行调节，具有灵滔豹嚣g 度帮阻尼特性调髓能力。 瞧于逛磁瓣承其鸯毙疆融、委簿擦癌摄、转速赢、是霪滤港窝毒余长譬程点， 数轴承爨无法毙羧醵，又壤决了气浮、滑浮轴承煞缺戆，教汪在褒代糕遴撬械 浙江太学硕士学位论文- 一第一章绪论 设备中得到有效应用。但它程成功解决离速电机系统支撵阍题的间时也暴褥了一 些固有的缺陷： ( 1 体稷大，妨褥了裹速下豹大容蠹证，动态响应墩馒； ( 2 ) 因体积大，两电磁轴承间需一定跨度，导致高滤电机轴向尺寸长，限制 了临界遽度的提离； ( 3 ) 需要有很多激励用绕组和单相逆变器，悬浮所需功率也丈，加大了相关 成本： ( 匐巍速电撬本髂会鑫定、转予镳心产生琴受控懿鼙逮疆控力，舞平撬荤迭 磁拉力又加重了电磁轴承的负担。 这些缺陷限制了电磁轴承的广泛工业应用，特别是髑时要求离速和大容量的 场台。 利用电磁轴承和电机结构上的某些相似性，将产生悬浮力的原电磁轴承绕组 褒救进旋转电捱驹泡枢铁心孛，霞电撬转子弱瓣县毒旋转秘垂悬浮支撑力，魏 会构成所谓的无轴承电机( b e a r i n 醴e s sm o t o r b l m ) “，如图1 l ，这是上世纪 8 0 年代寒高速电机研究的一太突破。实际的笼轴承电桃是在交溅电枫电枢中嵌 藏进两套不同极对数的绕绣，使气隙中同时有两种不同檄对数的旋转磁场榴互作 用，有意地破坏气隙磁场应有的均匀性，但同时也产生了所需的转矩和磁悬浮力。 这静不羁极对数磁场阕豹调剿撬理突疆了铸绞驽繇理论中有关定、转子磁场投对 数必须相等以产生恒定电磁转矩、气隙磁场必须平衡以消除单边磁拉力的旧框 架，是交流电机理论上的一大突破，开创了“磁悬浮”电机研究方向，具凑重要 的理论意义和学术价值。 黧l t 无轴承电瓿结 奄拳意鹜 与电磁轴承相比，无轴承电机具有很多的优点： ( 1 ) 磁悬浮力弼在转予全蔹范围睫产生，戮嚣电撬尺寸夺、功率密度巍，遥 价低，但悬浮力大； ( 2 ) 缩短了支撑点间轴向长度，提高了临界转速，馊同时获褥高转速军大功 率有了施； ( 3 ) 觅轴承电机悬浮力的产生基子电机旋转磁场，不需要传统电磁轴承中的 独立励磁电源，悬浮绕组控京系统功糕减小； 塑驽点璧堡主鲎堡煦塞：= ：兰：童堕堡一 ( 4 ) 系统藏零降低。一套邀磁轴黎系统需簧4 令功率放大器，褥采潮茏辅承 电机其悬浮控制只黼一个兰棚逆变嚣； ( 5 ) 较向悬浮力可控，解决了禽速魄靓本体结构舄偏心的单边磁拉力问瓤； ( 6 ) 适含于越高速运行和小型乃至超小型结构。 鞠1 逝，无辘承毫辊罴交流电撬鞫踺实瓒离转速、大功率瀚技术方囱，褐戏了离转 速、长寿螽、小体积应震领域中不可软步的毅燮据电戆整转换装鬣，霹翔予满轮 分子泵、血液泵、空气压缩机、高速离心机、紧凑型离速发电机和飞轮储能应用 等。 l + l 。l 茏辘承毫瓤懿基本嚣壤爱盘臻靛景 纛轴承毫瓿熊露簸辘承耱宅瓤凌熬予一律，是高速窀凝骚究熬凝镶璃，势或 为高速凭轴承技术中最具有发展前途的方案之。无轴承电枫是在簧通电机的定 予中再嵌入悬浮控制绕组，通过不同极对数悬浮绕组磁场对原鸯绕组磁场的 乍 嗣，改变了气隙磁场的对称分布，在转子上产生可控磁悬浮力。实现了转予的悬 浮运行。联鼓，讨论冤辘承墩梳的纂奉蒹理，箕摄奉燕在予辩氛撬审电磁力豹分 辨。 在交流电机中转子受到了两种不周的电磁力：洛仑浆力和嶷克斯韦力。n 载 瀛导体在磁场中运动丽产生的力产生的力穗为洛仑兹宠，它沿切向方向捧用在转 予表面，使电机旋转，产生转矩。图1 2 ( a ) 为电机气隙磁场对称下的两极电机 熬涛仑兹宠秘转矩静产生示意莲。磁场在不溺磁器率的磁性鞠矮逑界上产叟瓣表 嚣张力拣鸯麦竟耘蛮力，该力戆方离为藿壹予铁澈耪臻袭嚣囱麓，其丈小与转子 表面磁密平方成难比。当电机转子靼定子同心且当电流为正弦时，照然电机中垂 赢作用于转子表蕊鹋麦克斯韦力很大，但由于气隙磁通对称分布，敞麦克簸书力 含力为零，如图1 2 ( b ) 所示。当转予偏离气隙中心，引起气隙磁通分布的不均 匀，l 作耀在转子上豹麦夷颓书力会力靛不为零，箕孛气陈减，j 、楚气漾磁密增大， 气藩瑶大赴气陈磁辩减枣，终翔在转予上熬麦竟斯韦力台老将蒴离转予偏心往气 隙减小的方向。转子的偏心擞越大，作用在转予上的麦克颊韦力含力也就越大。 t ) 女f 日* 日t 黼女1 日 镕怕t 女女 捧l - 薯耩奄薹力轴蔗菇耨事盘趱举瑾瓣 从以上分析可知，转予偏心时引起的径向麦克新书力与转予位移方向致， 所班当转予发生缱移偏心时将无法回列气隙中心，转子偏心过穰形成正反馈。为 浙江尢学硕士学位论文一一第一章绪论 实现无轴承电桃转予悬浮，在电机定子中放置备两套不弼极对数的绕组，搬对数 为p 。的绕组用来产生电磁转矩，称之为转矩绕组；极对数为p 2 的绕组用采产生 可控悬浮力，舔之凳惹浮绕缝。当校对数关系蠛足p 2 ；擎l l 霹萎4 l ， 霹产生受 控的悬浮力。通过控制悬浮绕组电流，改变原有磁场在气隙中的对称分布，产生 可控的麦建斯韦力( 即可控懋浮力) 寐抵消转予编心产生的麦克擞韦力( 即傣心 磁拉力) ，把转予靛回气隙中心实现稳定悬浮。无轴承电机的电磁转矩是基于洛 仑兹力产生的，与普通电机没有区别。 由予冤辘晕龟辘鑫部靛擞悬浮力赛瑰了电租定、转予漓豹无辘辍辘承变撑运 行，从而突破了传统电机的运行机理，以全新的概念构成了高转速、大功率的机 嗽量转换装置，从两在意速电传动领域展现了广泛的疲甩前景。同时，它兵商 磁悬浮电磁轴承的所有优点，所以在需要免维修、长寿命运行，蠢菌、无污染阻 及有毒有害液体或气体的传输的场合中，无轴承电机也发挥着举足轻重的作用。 无轴承黾辘基在鞋下领蠛获樽实嚣应羯： ( 1 ) 半导体工业 在蚀刻、靠投、清洗或擞光等自e 工过程中需用腐蚀髅化学渡体，产品质量很 大程度上取决于纯举液体质量，液体输送泵是关键的一个环节。像酸液、省枫溶 剂等腐蚀的化学液体，泵必须无污染可靠传输，并具有抗腐蚀和耐一定温度的要 求。黄统气动和薄篾泵寿命艇，大多数辩淀最离是宥l 友袁，运动阕耨薄片 仍然会产生少量的微粒，液体传输也存在着不均匀的脉动，影响了工艺处理质量。 采用无辘承电规密封泵& 解决接统传输中存在魄缺陷，大大满足粳密半导体器件 生产工艺簧求。目前，功率为3 0 0 w 的无轴承电机密封藏已经在半导体工北得到 应用。 ( 2 耗工镁域 放射性环境或高温辐射环境等恶劣条件下，用无轴承电机密封泵进行废料处 理，躬淡规械轴承磨损帮维修的难惩。在化学工业，瓣有效密封传输秘生产系 统的需求进一步撼高，传统的转轴密封的密封泵，机械轴承需要润滑，据报道 8 0 的故障是由于密封失效引起的，2 0 是轴承、连接及其它故障。为了安全生 产，兔道环境污染，谴瑶无辘承电援密葑泵燕最佳选择。蠢前，苏黎整联邦王学 院和s u j z e r 泵公司念作完成了功率为3 0 k w 的茏轴承密封泵样机的研制和测试工 作，进入了试运行除段。 ( 3 ) 生命科学领域 心脏是生命的永动机，一旦发生故障难以修复。利用人工心脏部分或全部替 代心脏臻能成为心艟瘾患者生龠延续靛福音。稍蘑税械鞠承的血浆会产生摩擦和 发热，使脏细胞破损，引起溶血、凝舨和血栓，甚至危及病人生命。采用抛轴承 怒帆躲巍泵则能完全满足箕性旋要求，电规蛉应用特点：不蓑要主辘，设计更 浙江大学硕士学位论文- 第一章绪论 为灵活；泵头缀装容翳，聚头潦洗鞠替换容荔；采翔 轮传动，盘缡稳援环 率极低；泵室结构简单、不存在密封问磁。苏黎世联邦工学院和l e v i 蜘撼x 公 司研制成功的笼轴承永磁电机驱动的赢泵和可以移撩列人体内的心脏友心室辅 助装凝已经在晒床中应用。 ( 4 ) 辍械领域 攮动匿越：在绩镜橇辕轴承浆转子蒺绕孛，誊转予端帮受到癸力侔翔辩， 转轴中部弯曲樱度很大。采用无轴承电机质，径向力作用在转子垒长的衰硬上， 转轴弯曲程度会得翻明鼹改善，在机床主轴设计中独具优越性，枫康的加二【精度 将陡生轴的两n 度提高而提高。 搬棱轴承帮载：褒丈功率、璧载使蹋场台，冒采弼无辘黎电杭帮梳辕轴 绶翦缀台系统。秃辘承彀棍霹承援大酃分受浚，葙应簿低了撬辕轴承静囊载，大 幅度娥长机械轴承的使用寿命。 ( 5 ) 飞轮储麓 髓着能源、环僳问题日髓重要，清洁能源和带环保特征的商性价比储能技术 菱在嚣内、努翅逮研究。除去燃辩电滟舞，基于高速飞轮储糍的“辊窀灌溉”投 爨翦费。燕还霉要其恁稳关技术支持，蓬萁菝，疆毽就蹩一个在冀空环境中盔速 旋转的高散飞轮外转子电机。启动飞轮高速旋转的储能充电过程中作电动送行； 供电的释能过稷中作发电运行。这羊申斑用方式中永磁趔蠢轴承畦襁将会燕最忧的 授术方案。国外研究表明p 】，机电电= | 甄充电时间短、环保性能好、比能量犬( 为 蘩亳漶浆s 倍) ，宅於残动蓖； 获将攥动受电池黼索约絮靛环保电动车辆、为平稳 趱电越峰与低昝蕊嚣的全程漏蜂疲掰释捷稳定蛙缀麓稳胃再生麓源发电稳定纯 辞诸多商新技术及其产品的发展与进步。 近期来随着电力供需熟紧张、魄力系统可靠性要臻的提商秘虢重大灾变驰嚣 臻，分布斌发电及髓量转换系统的研究与开发日显重要。上万至几万转，分紧凑 絮裹逮涡轮发彀楗穗将燕无辘承电橇熬重要波撵领域。 l 。l 。2 嚣辘承嚷撬辑窕每发瓣壤熬 二次馓界大战簸，直流电磁轴承技术的发展，使褥电虹和传动系统冤接触运 行成为可麓，但这种传动系绕造价稷趣，因为铁磁性物体不可自在一个瞧定磁场 巾被动地实现稳定悬浮。主动电磁轴承的发明，解决了这个难题，但用主动电磁 皴承支承g g 往转子癸在5 个舀出发上藏热控剿力，电磁辅系体积大、结构复杂和 遗赞毫。 2 0 世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需要趟超高速磷心分离方法生 产浓缩锄，电磁轴承能满足高速电机支撑要求，于是在欧洲开始了镪究器释电磁 轴承计划。1 9 7 s 年，p k ，h e m a n n 申请了觅轴承电机专利，专利中提出了一种 蠹p 掇对数绕组鞠萨1 投对数绕缀相缩合静双宠子绕组结构，使其在电梳中蕊可 新江大学硕士学位论文一第一章绻论 以产生撩浮力又能产生径离支撑力。但翊p i k i e r m n 提出韵方案，在那个年 代是不可能制造出无轴承电机的。 隧薅双较蘸体管鹌应粥，鞋及靼韬捧臻尔提出蜂焉损拜关电路结合，l 够裁 造出满足无轴承瑰机要求的新一代商性能功率放大器。大约在1 9 8 5 年，具有快 速和负载能力的功率开关器 牛和数字信号处理器以及离性能传感嚣技术的毖现， 使得已经提出2 0 多年的交流电视矢量控翩技术才得班实际应鞲，这样解决了无 轴承电机数字控制的难题。瑞士苏黎世联邦工学院的j b i c h s e l 在这些科技进步 的基础，予2 0 壁纪8 0 年代螽期方蓑凌割选窭无辜蠡承宅辊”。 几乎与j b i c h s e l 同时，1 9 9 0 年日本a c h i b a 首次实现磁阻电机的无轴承技 术。1 9 9 1 年，苏黎世联邦工学院驰rs c h o b 酋次实现交流电机的无轴承技术”1 ， 1 9 9 2 辱，日本茨城大学的o k a d a 酋次实现永磁电机的冤轴承按术”。纛轴承电 机取得实际应用，关键性突破是1 9 9 8 年苏黎世联邦工学院的巴荣塔研制出无轴 承永磁溺步薄片奄捱“。，该电辊结构楚萃，丈大降低了控懿系统费臻，程缀多壤 域具有很大应用价值。2 0 0 0 年，苏黎世联邦工学院的s s 1 b “研制出无轴承单 相电机o ”，再一次在无轴承电机研究历史上翦进了一步，降低了控制系统的费用， 使得无轴承电梳实际应用不仅便是珂想的，丽且是经济的。无轴承龟机像机械轴 承支承的电机一样简单，电气控制系统并不复杂，在很多领域也需要无轴承电机 瓣应建。歪困为翔筵，无轴承电撬一矗受裂王韭雾瓣鬻瘦重视，璇、德翟、蟊 本、美阐均在大力资助这项高新技术的研究，在今后相当一段时间内将魑高速电 机研究领域的热点之一。 目葡，国际上对无轴承电机的研究工作和学术气氛非常活跃，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 年在瑞士苏黎世裾开了 第一璃“国际磁悬浮骞囊承会滚( 1 h l e r n 酲 o n 蕾s y m 弹s i m a g 珏e 耙 b e a r i n e 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 搬幽印o nm a 辨融i c s p e n s i o nt e e h n o l o g y ) ”和 1 9 9 1 年3 胃召开了一次“磁悬浮投术在航天中的应用( a e r o s p a c ea p p l i c 撕o no f m a 弘e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) ”的学术讨论会。此厨从1 9 9 1 年起，在上下两 螽翟鼯磁悬浮辅承会议瓣中淘一年，疆开溪际磁悬浮菠术会议( i n 钯m 斑i 。n 越 s y ”p o s i l l i no nm a 鲫曲ct e c l l r l 0 1 0 9 y ) ，每两年召开一次。最近次的国际会议是 2 0 0 4 每8 晟在美嘲肯塔基州大学( u 拉v e r s 姆o f k e n n c k y ) 召开的第9 瘸阻际磁 悬浮轴承会议。 国内无轴承 靓机的研究起步较魄，尚处于实验室阶段，未见有报道工业实验 运行静穰子。垂2 0 整纪9 0 年戎瑟麓，江苏犬学、浣弱工蓝大学帮南衰靛空簸天 大学等先后得到了国家自然科学基盎资助，开展了无轴承电机研究工作，在理论 和实验方面取得了些成续。沈阳工渡大学研囊了小容蠹隶磁磁步型无轴承电撬 浙江大学硕士学位论盘一第一章绪论 用予人工心脏盘象，魏锻在不疑类型转予结榴秃鞫霞瞧糠转矩与悬浮力蛉找较、 考虑气隙偏心下悬浮力蛇建模、分援上做出了赞献。“”，还磷究了混会转予无 齄承宅祝及冀茬粼“”。南寨靛必航空大学在隶磁镝雹三出痊墩磁轴承、无辅 承嘏杌韵磁场定向控箭等诸多方面进行了广泛研究”。”。睡安交通大学等剡在 无轴承电机控锎上避舒了理论努析_ 荦日仿真研究“”。游瀛大学开震了感应型无轴 承电巍悬浮力麟辑建搂秘谯弛气骧磁场定彝撼蠢i 磷究”2 ，遴霄了柬磁型无毒鸯 敞媳枫电姓设计及运褥控弗4 研宠，并出群始探索瘩磁型嚣辘承电椒的玉接感器运 穹亍。 国际上无轴承电视从2 0 憾纪g o 年代束至今汉有1 0 余年的发展，目前研究 的凳轴承电视主要寄3 种蹙爨，即感趣黧、永磁鹜稠磁阻囊”“。与感或型和磁 隰型相比，永磁型燹轴承电瓿采用瘩磁搏建立唐毫黻磁场，嚣霪宠予转矩绕缀啦流 提供励磁，敞具蠢体软小、夔擞轻、损耗小、功攀密发大、效攀斑等显萋优点。 奄戆瘦避、磁隧型辎魄，隶磁黧无辘承旗瓿鬃帮戳下优点： ( 1 ) 、采用永磁橱科茏儒转矩绕组的励磁电流； ( 2 ) 、与感斑塑笼轴承电机的复杂控铷线路穗眈不懿癸相豫移 褛，褥礅阻 型蠢辘承魄视出予磁隧造成艘严重勰会，使褥按剡器竣诗援鹭复杂，瘩磁型是齄 琢魄枫的控制电路却相对豌照很多； 4 投磁场和2 辍磁场产生的气豫磁通密度分剐梵 6 4 ( 辞，f ) 嚣五( 辞) 工( 辞，0 1 龟( 琅，f ) 一a ( g ) 磊( 绋，) j 庆磁鹜秃轴承毫鞔的憨气豫磁密可表示为 致辞，f ) t 织( 棼，f ) + 趣簿，f ) 霰霰海鸟气豫下极耧2 掇气臻磁遥密度福缓分秀j 为 b 4 = 娶f 。 d o 哎= 磐e d o ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 驴黏驷”砂铡 浯， 磊= 舟鼋哳驴铡 “ 浙虹太学硕士学位论文一* 第二章承碱裂无轴承电机的运行原理 磁电流，可以认为气隙中4 极磁场仅由永磁体产生。而2 极磁场由悬浮绕组产生 捷时寿 岛= 磐= 恐= 磐e = 柱一1 1 ) 戎中，为永磁体等效翩磁电流；t 势悬浮绕组电流幅镄；4 洚转矩绕组每相串联 有效匝数，：为悬浮绕组每相串联有效匝数 则式( 2 一l o ) 可化麓鸯 只一c l 厶c o s ( 蛾奶) 十g a l 昂= c l 厶s i n ( 一吼) + g 卢l 舯q ；警呸= 等 ( 2 1 2 ) 转换至转予速旋转dq 坐标系t 在永磁同步电机的屯= 0 控制方式中，选取永磁 辙援辘线方两作为d 辘参考方囱，裂上式霹表示为 e 2 q k + 印l 焉= q + q y l ( 2 一1 3 ) 此式袭明，采用九= o 控制的永磁理无轴承电机转予受到两部玲的磁场力作用： ( 1 ) 均匀气豫串采磁俸产生静气禳磁场与悬浮绕组魄流相互捧鹚所产生的悬浮 力，其大小与悬浮绕组的电流大小成厩比，与转子偏心量无关。 2 ) 出气豫镶密掰产生豹肇逮磁控力。定、转予不羁心导致气藏分布车均匀，健 得气隙减小处磁通密度增强、气隙增大处磁通密度减弱，转子上产生的单边磁拉力 与编心位移霪成正比。 麓、虚位移法 对于三相永磁型无轴承电机，运用坐标变换理论，可以把定予绕组转换为同步 遽旋转懿嚣超绕缀e 考虑采用岛= 0 控裁，转矩绕缝鳇融激毫浚帮戆浮绕维豹毫漉在 同步速旋转的两相搬标系d 、q 轴上可分别等效用、k 和t 。、，表示e 忽略电 机的磁饱和影响，贝q 在同步遂旋转d 、g 坐标系中电动枫的气隙磁场能量可表示为： 9 m 万坠蚯 一2 1 24一蓐4一石 3 2 3 2 迁j 瓯投磊 浙江犬学硕士学位论文一第= 南永磁型凭轴承电机的运行原理 致= 弛眩舔 隧芝 l f ， h 舭 屯出 k ( 2 - 1 4 ) 裁孛，l 4 、l 2 、m 啦分裂舞靛转坐标系串电机转矩绕缀帮悬浮绕缎的自感稚薄醴 及掰绕缎之阈的互感雉阵。静 小r 习妒瞄甜m 刊 ；卅 嘞 式巾耐示电辊定子褥套绕组之俺的互感系数，静 材：麴墨型 8 4 ( 2 - 1 6 ) 蕊奶，屯，分剐兔转蜒绕缝蠡感窝悬浮绕组鸯感。 根掰虚位移瑟理，电磁力可表示为电磁储能对位移的偏苷，因而作用在电动机转子 沿x 、y 方豳的磁惫浮力e 。、e 。可袭示为： 阱 d 蠡 8 繇 咖 将式( 冬1 4 ) 。( 2 1 6 ) 找入( 2 1 7 ) ，可褥： 阱材巳冀嬲 由于永磁电机k 与，则 苷q 陶 ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 主式冬麦克鬻书强量法黪出的可控懋浮力袭达忒( 2 一1 3 ) 相嗣。搿驳着氆，转子 嫩磁体产生的气隙磁场和悬浮绕组电流棚互作用可以产生出作用在转子土熬羟囱悬 浮力，其丈小与悬浮绕组电滚犬小成燕魄。 在得捌可控磁悬浮力的表达试后，还需导出转予单边磁搬力的袭达式。当转予产 塑燮堡主堂燕堡苎：楚三童查燮型垂塑垦皇憋塑垩堡堕婴 生偏心时，随着电机绕组自感的增加，绕组中储存的能擞也会随之增加，转子上单 边磁拉力藏睫之产，主。透过定予绕缍镶存髓量聪转予谴移的镟分，嚣考虑到屯：0 窝 “，等条件，转子上产生的单边磁拉力在d ，g 方向上的分量可表示为h q ： 耻妄如矿) 分昙 们 ( 2 2 0 ) 当考虑转子在气隙中位移变化时，转矩绕组自感。废作修正，可近似表示为 五，= q 0 2 + y 2 ) ( 2 _ 2 i ) 式中g 为一常数，其大小与电机结构参数有关；厶。为转子无气隙偏心时转矩绕组 巍感。 代入式( 22 0 ) 得： 蜀，= 妄圣五。妒) = q 哆2 ；= 嘉( 厶；0 2 ) ；g 吩2 ( 2 2 2 ) 这样，综合以上通过虚位移法计算的可控悬浮力和单j 拒磁拉力两部分，在气隙磁 场定向控制下永磁型无轴承电辊转予上鞭受豹力与式( 2 。1 3 ) 摺羁，霹表暴梵 阱q 卧叼圈 ( 2 - 2 3 ) 无轴承电机悬浮力模型推导过程来看，可以发现使用虚位移法推导磁悬浮力模型 的过程更清晰，但无法得到单边磁拉力累数c 3 的解据表达，必须通过试验来获得或 者遥过有限元分辑来得到其准确蓬。 2 0 磁惹浮力模激酶验疆 以上永磁型无轴承电机磁悬浮力解析表达的正确性可以通过电机电磁场专用设 ； 欹俘a n s o f t 进行有限元分辑、验迸5 “。算铜为一4 0 0w 的永獠糍无辘承瞧动祝， 其参数如下表2 1 所示。 渐扛太掌礤士学位豫空第= 常采磋型辩轴躐电机酌罐行艨理 是予内径 5 0 n l m气照长鏖 l m n l l辖子外艳 4 8 m m定子樾数 2 4 l褥子内径 l 氇n m 转矩爨浮绕缝教对数 甜i 在象磁弼步嚷瓤懋浮力摸鹫验_ 畦中，霹果薅三雏宥限嚣方法对样根瓮骥擞场进 行转折鄹计算，墩袁褥转予在不嗣情况下驰悬浮力。保抟永撼钵产生的磁场d 祧方 向鸯鼬与g 轴正方向堂合。悬浮缝缀通电射翅机磁蜓分布如麟2 0 衢示。圈2 - 3 a ) 埝 高了均棼气黻下罴浮绕组电流为k 一甜酾t 。= 0 时产生的电杭磁力线势布+ 在悬 浮绕组电流诈糟下，墩机右半部的磁力线耽藏半部磁力线密熊，说嘲转予受刘商表 的黎浮力。辩瑷，势粥谓节鏊浮绕缎瞧壤兔；3 鞠= 0 蠢、= 8 菇稿 k * 瓤、如一0 鼻和= 刘* 产生鞠镳枫磁力缝分雍始鞘2 0 、( 母、翻) 群示 可爨着逃，转予土舞会势鼹产生窭随左、f 趣上、翘节静悬浮力。 mm ；一”，一。警= ， 精悬淳绕鲺津电时电机慧嚼舟弗霸 浅( 2 - i 9 ) 可以薅采计算戡在气隙磁璐定潞控镕# 下、气涨蜂匀游不隧懋滓绕熊嗽 游江大学酿土学位论文第二章隶菇型无轴承电机静运行驻理 瀛下静磁悬浮力，圈2 4 给出了按本文导崮鹩解辑算法稻a n s 0 f t 较 串翁电磁溺算 法所得磁悬浮力与悬浮绕组电流的关系曲线其中转矩绕组电流保持为零。可以发 瑗，转子磁悬浮力大，i 、与赫浮绕组电流藏委敬，嚣耱谤箕结果貔攫簿窃念。 环 匿2 4 气陵均匀辩鞋悬浮力与悬浮绕缎电蠹关系 司样对转子发生位移时的电机磁场，可进行类似的有限元分析计算m 其步骤是 调节悬浮绕组瞧瀛，分别使d 、q 辘电流达到两个极镶：+ 3 a 与。3 a 。转子将会分别 产生出相应方向的悬浮力。= o 转子磁场定向控帝4 下转子偏心时所受磁场力可采胡 式( 2 1 3 ) 来计算。图2 - 5 为悬浮绕组中分别遇入l a 、2 a 、3 a 电流时转予在a 轴正方 向偏移辩受嚣的惹浮力疋与位移的关系。可潋看趣，兰条曲线静斜率相溺，说明在 一定的悬浮绕组电流下，悬浮力仅是偏心值的线性函数，与悬浮绕组电流大小无关。 就捧，整酸场分努荤麝褥悬浮力与式f 2 1 3 ) 诗冀结果憨攥磐唆台i | 楚验证了该孵辑表逸公 式的准确性。 嘲2 5 麓砖抖力与蒋于铀心关熏 2 。4 本章夺蘩 本章讨论了永磁型无轴承电机的运行原理，分析了电机内部磁悬浮力的产生机 理。分剩采用麦竞簸韦张璧法和感经移法，建立了嚣贴式永擞茏轴承毫撬悬浮力薅 析模型。并通过对样机进行电磁场有限元分析，验证了该模黧的准确健。从本镦的 浙江犬学硕七学位涂文_ 第二章承磁型无轴承电机的运行艨理 讨论内容可知： f 1 ) 要实现芜轴墩电税豹稳定慧浮远行，泡税结捣主盛矮满足蹿l i ，诅产生 可控鲍懋浮力寒竞鼹转子猿心时豹零边鞑拉力秘转子羹力，这楚蠢辘承魄撬运哲黪 必要条件。 拉) 诧辫，要实现对可控悫浮力韵臻确调节，实时鞭踩悬浮绕缀电流，就必须蘸 立超准确弱悬浮力模型，本牵分剃飙“力”的角度稆“能爨”豹角度入手，猿立建 立了基予以= o 控制方式下永磁无轴承魄机的懋浮力数学攒型。从攥导的过程来看， 以“磁妫能照”为出发点的推导偏羹予攘体性，通过藏单的微分环节，馒筒零地褥 到了悬浮力的解析模挺，而以“力”的角度出发，虽过程繁杂，但它注重细节，详 缨澜疆了磁悬浮力产生豹过程，便予璎瓣悬浮力模型建立的根源。 浙托大学硕士学位论文一第三章永磁型无轴承电机的控制 第三章永磁型无轴承电机的控制 摘要：本章主要从系统的硬佟及软辟辩方面来龠绍元轴承电机罅系统结构聂实斑。对硬件电 路中主要的电路模块进行了详细褥说明；对于系统的软件设计，拳文给出了总体程序撩蘑，并具 体介绍了各功能模块的原理度意义。基于转千磁场定向控书l ，进行了样机实验并给出了永磁无 轴承样氟砖实验结幕+ 3 1 采磁螫冤辘承鸯梳嚣幕缝鳍鞫 采用微处理器或d s p 的数字控制方式是目前控制系统结构设计的主要形式，其 绕点是： 能够用软件窝现复杂的控制算法，而不需要采用复杂的模批电路设计。 - 由软馋程序修改面实现不犀的控露4 方法，无须更改硬 牛电路。 可降低体积、重量与功耗，同时价格也较低。 具商较高的可靠性，鼠易于维修与搠4 试。 对秣声与干挽有较强的挠干扰艉力。 因此，数字控制已是必然趋势。 至予怒果爱徽簸理器或燕嚣p 列敬决予稳橇、性钱瓣要求鞋缓兵嚣静开发环壤等 阁索，一个以d s p 为基础的数字控制幕统结构，如下图2 9 所示，其主要特点l 删是： 翻3 一l 以d s p 为基础的数字控制系统 1 ) 较低的硬件成本 采用微处理器或d s p 的主要优点就是能够以软件取代复杂的硬件电路。由于 大烧模集成电薅( v l s i ) 发袋逐速，褥翱上蒹徐酌芯嚣、离处理能力的c p u 激及大 容鼍的存储器，它们均能以非常快的速度实现较复杂的控制算法，因此实现控制功能 的疆传馀撂糖对较低。霹时，塞予a s 羚趣嘲i c 越i 豫s 涮嚣挺1 9 与蹶客委托设诗毙馒 芯片的集成度更高，这不仅提高了系统的可靠度，也降低了生产与维修测试的成本。 2 ) 更离的可靠性 浙江二i _ = 学硕士学位论文一第三章水磁型无轴承电机的控制 复杂的控制系统应用予工业自动化，如c n c 或机器人，应用于国防工业导弹 与导簸等，均翥要舞霹靠性。采用毫艘集成的微控袁4 器或d s p 侵系统的可靠牲寿了 极大的提高。 3 ) 电磁干扰( e m l ) 问题较少 v l s i 的高密度电路，降低了电力电子系统中嵩电压与高魄瀛变讫辩电路所形 成的影响，控制芯片的屏蔽较为简单，由电力线或信号线所产生的噪声也窬易滤掉。 4 ) 不会毒漂移与参数交纯 在模拟电路设计中遇到的一些问题没，如温度或环境变化而引起的漂移现象， 遮 现象也会因为鳃传老化褥发生，毽在数字电路中则可消除这蟪问题。以擞处理嚣 躐d s p 软件实现的数值计弊不仅不会有参数变化，计算也百分之百正确，而且截狮 朔溢出等闽题也可以采用适当的调整比例范围泉解决。 5