（电机与电器专业论文）无轴承永磁同步电机基础理论与试验研究.pdf

； a 乞 土 学位论文版权使用授权书f 嬲 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。 本学位论文属于 保密 不保密 学位论文作者签名：雀德j 导师签名： 后适用本授权书。 本歌 签字r 期：伽舞月偈日签字日期：2 脚f 年占月，夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 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，均己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：夔德戚 日期：五怕夕年 乡月 扩 日 萋 0 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文提出了一种新型的五自由度无轴承永磁同步电机，它是由一 个三自由度径向一轴向磁轴承和一个二自由度无轴承永磁同步电机构 成，分析了三自由度磁轴承和二自由度无轴承永磁同步电机工作原理， 建立了五自由度无轴承永磁同步电机的数学模型。给出了基于磁场定 向控制的系统控制框图以及相应硬件模块接线图。基于仅阶逆系统方 法推导了五自由度无轴承永磁同步电机动态解耦控制算法，并进行了 仿真研究。 本文设计和制作了c i 冲w m 电流跟踪型逆变器，并进行了性能测 试。针对转子磁场定向控制方法进行了软件结构设计，并介绍了软件 调试环境和t d s 2 4 0 7 e a 评估板的特点与功能，以及控制系统软件实现 方法等。 关键词：无轴承永磁同步电机，磁轴承，逆系统，动态解耦，c r p w m a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sp r o p o s e da ni n n o v a t i v e5d e g r e e o f - f r e e d o m ( d o f ) b 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 em o t o r ( b p m s m ) ，w h i c hi sc o m p o s e d o fa3d o fr a d i a l a x i a lm a g n e t i cb e a r i n ga n da2d o fb p m s m t h e w o r k i n gp r i n c i p l e so f3d o fm a g n e t i cb e a r i n ga n d2d o f b p m s ma r e a n a l y z e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o ft h ei n n o v a t i v e5d o fb p m s m i s s e tu p t h ec o n t r o ld i a g r a ma n dt h el i n k i n gd i a g r a mo f t h e2d o fb p m s m b a s e do nt h er o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o l a r e g i v e n t h ed y n a m i c d e c o u p l i n gc o n t r o la l g o r i t h mb a s e d o na t ho r d e ri n v e r s es y s t e mm e t h o d i sd e d u c e da n dt h es i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e d t h ec r p w mh a sb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e di nt h ep a p e ra n dt h e p e r f o r m a n c eo f t h ei n v e r t e rh a sb e e nt e s t e d t h e nt h es o f t w a r ec o n s t r u c t i o n b a s e do nt h er o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o li sd e s i g n e d t h es o f td e b u g g i n g i si n t r o d u c e d 一c , , h a r a c t e r i s t i cm df u n c t i o no ftd$2407eaenvironmentl si n t r o d u c e d1h ea r a c t e n s t l ca n dl u n c u o no i1 c a r ei l l u s t r a t e d l a s t l y , t h ei m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r ei nt h ec o n t r o ls y s t e m i sa n a l y z e d k e yw o r d s ：b p m s m ，m a g n e t i cb e a t i n g ，i n v e r s es y s t e m ，d y n a m i c d e c o u p l i n gc o n t r o l ，r o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，c r p w m h 严4 h y ， h；0 口。dpj，lrti 一 一 江苏大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 无轴承永磁同步电机研究现状1 1 1 1 无轴承电机起源及发展1 1 1 2 无轴承永磁同步电机特点及其应用2 1 1 3 我国开展研究和应用无轴承永磁同步电机的前景3 1 2 本课题研究内容4 1 3 本课题研究难点5 第2 章无轴承永磁同步电机运行机理6 2 1 无轴承永磁同步电机基本结构6 2 2 无轴承永磁同步电机工作原理6 2 2 1 三自由度磁轴承工作原理6 2 2 2 二自由度无轴承永磁同步电机工作原理7 2 3 无轴承永磁同步电机数学模型8 2 3 1 矢量控制坐标变换8 2 3 2 三自由度磁轴承轴向和径向力数学方程一1 l 2 3 3 二自由度无轴承永磁同步电机径向力、电磁转矩力方程1 2 2 3 4 无轴承永磁同步电机运动方程1 4 2 4 小结1 4 第3 章无轴承永磁同步电机控制策略研究1 5 3 1 无轴承永磁同步电机矢量控制分析1 5 3 1 1 基于转子磁场定向控制系统框图1 6 3 1 2 无轴承永磁同步电机基于转子磁场定向控制硬件系统1 6 3 2 基于q 阶逆系统方法的解耦控制研究1 7 3 2 1a 阶逆系统方法概述1 7 l i i 江苏大学硕士学位论文 3 2 2 无轴承永磁同步电机基于a 阶逆系统方法解耦控制1 9 3 2 3 仿真结论2 7 3 3 小结2 7 第4 章c r p w m 逆变器设计2 8 4 1 引言2 8 4 2c r p i 聊v 主电路结构2 8 4 3 滞环比较电路2 9 4 4 脉冲分配、互锁与逻辑保护3 0 4 5 逆变主电路3 1 4 5 1 单相整流桥3 l 4 5 2 直流滤波电容3 2 4 5 3i p m 的选取3 2 4 5 4i p m 外围接线电路3 3 4 6 电流传感器电路3 5 4 7d s p 接口电路3 6 4 7 1p i 聊v 接口电路3 6 4 7 2 故障信号输出接口3 6 4 7 3 位置传感器接口3 7 4 8 电源方案3 8 4 8 1 电源要求3 8 4 8 2 电源j s l 5 8 3 9 4 8 3t o p s w i t c h 反激式电源设计4 1 4 9i p m 功率损耗4 1 4 1 0c r p w m 逆变器测试波形4 3 4 1 0 1 滞环比较电路测试波形4 3 4 1 0 2 脉冲互锁电路测试波形4 4 4 1 0 3i p m 测试输出波形4 4 4 1 0 4 电流跟踪测试波形4 4 4 1 1 小结4 5 ， ，髯量f簪lt登_ 。： 江苏大学硕士学位论文 第5 章控制系统软件设计4 6 5 1 软件结构设计4 6 5 2 软件调试环境4 7 5 3 数字控制硬件电路设计4 8 5 3 1t d s 2 4 0 7 e a 评估板介绍4 8 5 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的性能特点4 9 5 3 3 软件设计资源分配5 0 5 3 4 功能模块5 l 5 4 小结5 2 第6 章总结与展望5 3 6 1 本文完成的主要工作5 3 6 2 需要进一步研究的内容5 3 致谢5 5 参考文献5 6 在读期间发表论文5 8 v 江苏大学硕士学位论文 插图表目录 图1 1 半导体工业用无轴承聚四氟乙烯泵2 图1 2 无轴承电机驱动的心脏左心室辅助装置3 图1 3 气泡反应床3 图1 4 功率4 k w 无轴承永磁电机4 图2 1 无轴承电机的结构示意图6 图2 2 三自由度径向一轴向磁轴承7 图2 3 无轴承永磁同步电机径向力产生原理图7 图2 4 三相定子坐标系和两相定子坐标系变换关系8 图2 5d 、q 坐标系和口、坐标系之间的变换关系1 0 图2 6 转子受力分析1 4 图3 1 基于转子磁场定向控制系统框图1 6 图3 2 基于转子磁场定向控制系统连线图1 7 图3 3 鲁棒性的伺服系统1 9 图3 4 无轴承永磁同步电机的状态反馈线性化2 3 图3 5 系统转子位置的综合2 3 图3 6 转速系统综合2 4 图3 7 基于逆系统理论五自由度无轴承永磁同步电机的控制系统框图2 4 图3 8y 方向的起浮响应曲线2 6 图3 9 转子质心轨迹图，2 6 图3 1 0 五自由度无轴承电动机的转速阶跃响应曲线2 7 图4 1 电流跟踪电压型逆变器结构框图2 8 图4 2 滞环比较电路图2 9 图4 3 脉冲分配、互锁与逻辑保护：3 0 图4 4 逆变主电路3 1 图4 5i v m 多 t 围接线电路3 4 图4 67 4 l s 2 2 1 和7 4 l s 7 4 功能图3 5 ；鼍 6 江苏大学硕士学位论文 图4 7 电流传感器线路连接图3 6 图4 8d s p 输出p w m 接口电路3 6 图4 9 故障信号输出接口3 7 图4 1 0 位置传感器接口电路：3 7 图4 1 1 采用模拟p i d 调节电路位置传感器接口电路3 8 图4 1 2j s l 5 8 两种封装图4 1 图4 1 3i p m 工作调节输入界面4 l 图4 1 4 工作条件l 变化情况下，i g b t 和d i o d e 的温度图4 2 图4 1 5 逆变器输出电流不同情况下，i g b t 和d i o d e 的功耗图4 2 图4 1 6 开关频率变化，影响最大输出电流图4 2 图4 1 7 工作条件开关频率变化情况下，i g b t 和d i o d e 的温度图4 2 图4 1 8 工作开关频率变化，i g b t 和d i o d e 的功耗图4 3 图4 1 9 电流滞环测试波形4 3 图4 2 0 脉冲互锁波形4 4 图4 2 1i p m 输出三路方波4 4 图4 2 2 电流跟踪波形4 5 图5 1 五自由度无轴承永磁同步电机软件实现流程图4 7 图5 2t d s 2 4 0 7 e a 基本配置的方框图，4 8 表3 1 电机设计参数表2 5 表4 1 电源j s l 5 8 技术参数4 0 v i l 江苏大学硕士学位论文 p t p s ，口、佑、缸 西、m 吼、 k 、i ，6 、k k 、b 吒、毛 z ： 之 e n h 憎、n _ q m 2 d 、m 2 叮 l 啊、k 幻 2 d 、 2 9 妒0 4 d 、驴，脚钾 2 一、虬2 口 x r 、y r r 、毛 主要符号表 电机绕组极对数 径向悬浮力绕组极对数 三极径向磁轴承a 、b 、c 三相绕组产生的磁通 三自由度磁轴承直角坐标轴 ，口、凸、f c 到而、乃轴的等效磁通 三极径向磁轴承a 、b 、c - - 相绕组电流 x l 、m 轴等效绕组电流 三自由度磁轴承x l 和m 轴方向上的径向悬浮力 轴向坐标 轴向绕组磁通 z 轴等效绕组瞬时电流值 三自由度磁轴承轴向悬浮力 传统四极电机等效d 、g 轴绕组 两极径向等效d 、口轴绕组 四极电机等效绕组肼d 、n 。，电流瞬时值 两极径向等效绕组m ：d 、m ：。瞬时电流值 四极电机等效绕组肼。d 、n 胁。产生的磁链 两极径向等效绕组m ：d 、n s 2 q 产生的磁链 二自由度无轴承永磁同步电机直角坐标轴 转子所受径向力在和只坐标轴方向上的分量 v i i i ； ? 0 江苏大学硕士学位论文 三相系统每相绕组的有效匝数 二相系统每相绕组的有效匝数 定子a 、b 、c 三相绕组电流 两相静止坐标系口、轴等效绕组电流 三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换系数矩阵 口、坐标系到d 、g 坐标系的旋转矩阵 三自由度磁轴承径向电流刚度 真空磁导率 三自由度磁轴承径向气隙 三自由度磁轴承永磁体磁动势 三自由度磁轴承轴向磁极面积 三自由度磁轴承径向磁极面积 三自由度磁轴承径向线圈匝数 三自由度磁轴承轴向电流刚度 三自由度磁轴承轴向位移刚度 三自由度磁轴承轴向气隙 三自由度磁轴承轴向线圈匝数 二自由度无轴承永磁同步电机永磁体等效励磁电流 电机绕组电流钾和永磁体等效励磁电流0 合成电流 四极电机等效绕组d 、q 轴自感 两极径向悬浮力等效绕组d 、q 轴自感 四极电机绕组和两极径向绕组的d 、g 轴自感 i 。配 埘 k k b 哆 旬 、 、 1 d d 、 m m o o 靠 心 4 层 墨 辞 m k 屯 屯 m 0 k k 厶 江苏大学硕士学位论文 m k 4 口、l m 4 f l x 、y 0 m j 护l 旷l | l f 哼 j 国 瓦、乏 c o s 缈 电机绕组和径向绕组的互感相对于径向位移的导数 绕组中储存的磁能 二自由度无轴承永磁同步电机永磁体产生的磁链 静止坐标系口、中电机绕组等效电流 转子质心坐标 转子的质心 转子质量 西、乃、z 方向的外扰力 、”方向的外扰力 转子转动惯量 转子角速度 电磁转矩、负载转矩 功率因数 x ； ? 一 ： 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无轴承永磁同步电机研究现状 1 1 1 无轴承电机起源及发展 二十世纪七十年代中期，德国的p k h e r m a n n 提出了一种磁悬浮轴承产生悬 浮力的绕组和电机的定子绕组有规律安装在一起，保证电机既能产生径向悬浮 力，又能产生旋转力，实现磁轴承和电机一体化结构的电磁装置，也即具有径向 磁轴承功能的电机n 1 ；p m e i n k 也提出了电机具备转子转动和磁悬浮功能的构想 圆，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，在那年代要实现这种构想的电机几乎是不可能。1 9 8 5 年，t h i g u c h i 提出了具有磁轴承功能的步进电机，具备转矩和径向悬浮力解耦 控制环节口1 ：1 9 8 8 年，r b o s c h 提出了一种能同时产生径向悬浮力的圆盘电机， 首次使用了“无轴承电机( b e a r i n g l e s sm o t o r ) 这个概念啪。 瑞士苏黎世联邦工学院( e t h z ) 在开展磁悬浮轴承和无轴承电动机研究和应 用方面，一直处于世界领先地位。自二十世纪八十年代后期，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无轴承电动机理论和应用研 究，实现永磁同步电动机、交流异步电动机、薄片电动机等多种电动机无轴承技 术。1 9 9 0 年，j b i c h s e l 研制出世界第一台无轴承永磁同步电动机样机1 ；1 9 9 6 年，r s c h o e b 实现了交流异步电动机的无轴承技术嘲；1 9 9 8 年，n b a r l e t t a 创 造性地研制出无轴承永磁薄片电动机订1 。十几年来先后有2 0 多位博士生专门从事 无轴承电动机的研究和开发，取得了众多研究和应用成果，特别是在无轴承电动 机应用方面处于世界独领风骚的地位。日本同样也是在二十世纪八十年代后期开 展无轴承电动机研究工作，在a c h i b a 带领下的课题组，先后研究了磁阻电动机、 交流异步电动机、开关磁阻电动机、永磁同步电机等无轴承技术【明；此外，美国、 德国、奥地利等国家也开展了无轴承电动机研究【9 - 1 。 我国从二十世纪九十年代后期开始从事无轴承电动机研究，先后开展了交流 异步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机和永磁同步电动机等无轴承技术 的研究和开发工作1 1 2 - 1 4 1 ，相信为期不远就会在无轴承电机研究和应用方面取得 突破。 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 无轴承永磁同步电动机特点及其应用 无轴承永磁同步电动机具有磁悬浮轴承所有优点：无摩擦、无磨损、无污染、 不需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长等，并且无轴承电机比磁轴承支撑的 电机结构紧凑，为研究小型特种新型电机提供了设计空间。小功率无轴承永磁同 步电机在一些高新技术领域具有技术和经济优势，是传统电机无法实现和替代 的。需要免维修、长寿命运行，无菌、无污染以及有毒有害液体或气体的传输是 无轴承永磁同步电机典型的应用场合。目前世界上在无轴承永磁同步电机方面主 要是薄片电机得到了如下应用。 ( 1 ) 半导体工业 在半导体制造工业，有很多加工过程像蚀刻、制板、清洗或抛光等加工过程 中包含腐蚀性化学液体的，产品的质量很大程度上取决于化学液体的质量，因此， 液体输送泵是关键的一个环节，像酸液、有机溶剂等腐蚀的化学液体，泵必须无 污染可靠传输，并且泵要具有抗腐蚀和耐一定温度的要求。传统的气动和薄片泵 寿命短、大多数耐温最高只有1 0 0 ( 2 ，运动阀和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，并且，气动系统需要节气 阀和空压机，导致系统总的效率低。因此，采用无轴承电机和泵为一体的无轴承 电机密封泵能解决以上传统传输中存在的缺陷，在泵内绝对不会产生微小粒子， 并能实时检测液体的流量和压力，对无轴承电机的速度进行实时调节，大大满足 精密半导体器件生产工艺要求。目前功率为3 0 0 w 左右的无轴承电机密封泵已经在 半导体工业得到了应用，见图1 1 。 另外，超大规模集成电路的发展要 求半导体硅片在超真空、无杂质密封室 内加工，对传送硅片的机器人具有严格 要求：不能用润滑油，也不能产生尘粒， 因此，采用无轴承电机控制机器人及其 操纵手臂是最为理想的选择。 ( 2 ) 化工领域 图1 1 半导体工业用无轴承聚四氟乙烯泵 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或者采用 磁轴承驱动离心泵进行废料处理，能解决机械轴承磨损和定期维修的难题。在化 学工业，对有效密封传输和生产系统的需求进一步提高，传统的转轴密封的密封 2 - 江苏大学硕士学位论文 泵，使用的机械轴承需要润滑。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，免遭环境污染，使用无轴承电机密封 泵是最佳选择。目前，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 泵公司合作完成了由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实时 监控，具有安全运行的自保护装置。 ( 3 ) 生物工程领域 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 代心脏功能成为心脏病患者生命延续的福音。利用机械轴承的血泵会产生摩擦和 发热，使血细胞破损，引起溶血、 凝血和血栓，甚至危及病人生命。 现在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和可以移 植到人体内的心脏左心室辅助装 置( 图1 2 ) 已经在临床中应用。 图1 2 无轴承电机驱动的心脏左心室辅助装置 在动物细胞培植中需要给生长细胞供应氧气，传统的气泡反应床由于用机械 轴承支承叶轮，一方面，轴封叶轮会导致细胞死亡和细菌感染：另一方面，轴封 叶轮使气泡反应床设计合理的结构受到限制，出现气泡 充气现象，尤其在发泡区域出现气泡破裂，导致细胞死 亡。瑞士苏黎世联邦工学院采用无轴承电机设计的气泡 反应床，电机驱动一个完全悬浮的叶轮，没有磨损，没 有传动密封件，不会因为传动装置引起细胞损坏，并且 可以对电机的速度精密调节，实现在细胞生长过程中平 缓和均匀充气，见图1 3 ，为此，无轴承电机在气泡床 图1 3 气泡反应床 反应器上成功应用，显示了其在生物技术领域提供了全新的选择。 1 1 3 我国开展研究和应用无轴承永磁同步电机的前景 我国开展磁悬浮轴承和磁悬浮列车研究多年，掌握和积累了磁悬浮技术的基 本理论和实践经验，目前，数字信号处理技术、电力电子技术和交流电机调速技 术比较成熟，为研究无轴承电机奠定一定的基础。自二十世纪九十年代后期，江 江苏大学硕士学位论文 苏大学、南京航空航天大学及沈阳工业大学等先后得到了国家自然科学基金的资 助，开展了人工心脏泵、交流异步电机、开关磁阻电动机和永磁同步电机等研究 和应用工作，并且在理论和实验方面取得了一些成绩，初步实现了交流异步电机 的无轴承电机技术。江苏大学与苏黎世联邦工学院共同开展了对功率为4 k w 的无 轴承永磁同步电机研究和应用工作，解决了传感器检测、降低功率损耗等关键技 术问题，4 k w 的无轴承电机很快就会在化工工业、半导体工业等得到应用，见图 1 4 。在美国、日本等国家，无轴承电机在生命科学、制药行业、化工行业、半 导体工业、食品工业等领域得到了应用，对提高产品质量、降低成本、减少污染 等起到了积极的作用。随着我国经济进一步长足的发展，产品要走向国际市场， 在国际市场占据一定的份额，必将要考虑提 高质量，在特殊的电气传动领域改变传统的 传动和传输方式，减少产品污染和环境污 染，改善工作环境，降低产生成本，提高生 活质量，因此，在我国无轴承具有很大的潜 在应用市场，积极开展无轴承电机的研究和 应用具有现实和长远意义。 图1 4 功率4 k w 无轴承永磁电机 1 2 本课题研究内容 本课题研究内容主要包括以下几个部分： 第一章、介绍了无轴承电机的起源和发展，无轴承永磁同步电机的特点、应 用以及在我国的发展前景，本课题研究主要工作。 第二章、设计出五自由度无轴承永磁同步电机的基本结构，分析了无轴承永 磁同步电机的工作原理；在介绍矢量坐标变换的基础上，推导了无轴承永磁同步 电机数学模型。 第三章、讨论了几种常用的矢量控制方法，分析了基于转子磁场定向控制方 法系统的解耦控制，给出了基于转子磁场定向控制方法二自由度无轴承永磁同步 电机系统控制框图和硬件模块接线图，推导了五自由度无轴承永磁同步电机基于 q 阶逆系统方法的动态解耦控制算法，并进行了仿真研究。 第四章、详细介绍了c r p 讯, t 逆变器的结构图，给出了各个模块的电路图，并 分析了各个模块工作原理。本章还给出了逆变电路主要元器件的选取情况，以及 4 p - 江苏大学硕士学位论文 电源设计和i p m 功率损耗计算。最后对制作的逆变器各个模块进行了性能测试。 第五章、设计了五自由度无轴承永磁同步电机系统软件结构，介绍了软件调 试环境，详细介绍t t d s 2 4 0 7 e a 评估板的特点及功能，给出了控制系统软件实现 方法。 第六章、对本文工作进行了总结，并指出下一步将要进行的研究工作。 1 3 本课题研究难点 本课题所研究的无轴承永磁同步电机结构新颖，针对不同控制方法，需要推 导数学模型，而且要想实现带负载工作有一定困难，同时无轴承永磁同步电机本 身是一个有耦合的多变量非线性时变系统，需要研究新的控制策略，完全实现这 个多变量非线性系统的动态解耦。 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承永磁同步电机运行机理 2 1 无轴承永磁同步电机基本结构 无轴承电机，不需设计或使用专门的机械轴承、气浮或液浮轴承。无轴承电 机是根据磁轴承结构与电机结构的相似性，把磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠 装在电机的定子上，只要确保电机绕组产生的磁场极对数p t 与径向悬浮力绕组 产生磁场极对数p s 的关系为：p s = p t 1 ，这样电机本身能产生大小和方向可以 控制的径向悬浮力和转矩力。图2 1 是无轴承永磁同步电机的结构示意图，一台 完整的无轴承永磁同步电机是由1 个三自由度径向一轴向磁轴承和1 个二自由度无 轴承永磁同步电机构成。二自由度无轴承永磁同步电机，通常采用磁场定向控制 来实现分别独立控制电机的转矩力和径 向悬浮力，实现电机的无轴承化。对于功 率远小于l k w 的电机，没必要采用图2 1 的 复杂结构，通过设计转子的长度大大小于 转子的半径，这样转子的3 个自由度由被 动磁轴承进行控制，其它3 自由度由无轴 承电机单元主动控制，这就是所说的薄片 三自由度径向一 图2 1 无轴承电机的结构示意图 电机m 。 2 2 无轴承永磁同步电机工作原理 2 2 1 三自由度磁轴承工作原理 图2 2 为三自由度径向一轴向磁轴承结构图。( a ) 为三极径向磁轴承，图中 m 矿m 腼、，c 分别为彳、召、c 三相绕组产生的磁通，缸、扣分别是l 口、o 协、 缸n x , 、y t 轴的等效磁通。转子在磁通缸、协、o 缸作用下，处于平衡位置。 若转子受外扰力作用偏向而正方向，则减小磁通o h 即可让转子回到原来平衡位 置。乞、么、分别为a 、b 、c 三相绕组电流，缸和为而、y z 轴等效绕组 电流。分析可知，转子向而正方向偏移，减小幺，即减小气，转子回到平衡位 置，转子向而反方向偏移则增大t ，可以使转子回到平衡位置：同理，转子向m 6 江苏大学硕士学位论文 正方向偏移，减小，即减小毛，转子回到平衡位置；转子向m 反方向偏移则 增加屯即增加冗，转子回到平衡位置。改变而、y ，轴绕组等效电流么、缸大小 和方向，即可改变兀、毛的大小和方向，确保转子处于平衡的中间位置。 图2 2 ( b ) 为轴向磁轴承，图中：为轴向绕组产生的磁通，p 为永磁体产 生静态偏置磁通。转子处于平衡位置时，。是对称分布的，若转子受外扰动力 作用，向z 轴正方向偏移，此 时通入如图所示电流方向的 乞，则在气隙毛处的磁通：l 增加，乞处的磁通：减小， 此时转子轴向z 轴反方向的 f 作用回到平衡位置。同理， 若转子向z 轴反方向偏移，则 通入与图2 2 ( b ) 反方向的电 流l ，可使转子受到向z 轴正 鳓 一一一一一墨一 璃 ( a ) 三极径向磁轴承( b ) 轴向磁轴承 图2 2 三自由度径向一轴向磁轴承 方向的c 作用而回到平衡位置。改变z 轴绕组电流屯大小和方向，a p 可改变f , 的 大小和方向。 2 2 2 二自由度无轴承永磁同步电机工作原理 图2 3 给出了二自由度无轴承永磁同步电机径向力产生原理。虬“和n ，为 传统4 极电机等效d 、口轴绕组， m ：d 和m ：。为2 极径向等效d 、 q 轴绕组；乙材、乙4 口、f 1 2 d 和f 1 2 口 分别为绕组肘4 d 、 r 。、j 2 d 和m 2 。瞬时电流值；j 、 4 9 、虬2 d 和虬2 9 分别为绕组 虬“、。4 口、1 2 d 和1 2 q 产生 的磁链；疋和b 分别为转子所 受径向力在和”方向上的分 图2 3 无轴承永磁同步电机径向力产生原理图 7 江苏大学硕士学位论文 量。 在图2 3 中，四极电机等效绕组电流。d 产生的四极磁通。d 是对称分布的， 气隙磁通处于平衡状态。当加入如图2 3 所示的径向力两极绕组电流：d 时，气隙 g 。处磁通密度加强，而g ：处则减弱，从而产生沿_ 轴正方向的力兄。分析可知， 减小：d ，则只减小；当通入电流：d 与图2 3 所示方向相反时，则吒反向。同 理可知改变两极绕组电流：。的大小和方向，即可改变名的大小和方向。从而改 变两极绕组电流：d 和：g 的大小和方向，即可改 变疋和r 的大小和方向。 2 3 无轴承永磁同步电机数学模型 2 3 1 矢量控制坐标变换 在矢量控制中，经常用到几种坐标系，下面 给出各坐标系之间的变换关系。 三相定子坐标系到两相定子坐标系之间坐 标变换，称为c l a r k 变换，也简称3 2 变换；两相 静止坐标系到两相旋转坐标系之间的变换，称为 p a r k 变换。 ( 1 ) c i a r k 变换 户 口 鳓i i 6 0 0 入 i l i m 一口一 n t 。 m 图2 4 三相定子坐标系和两相 定子坐标系变换关系 设三相系统每相绕组的有效匝数为n ，二相系统每相绕组的有效匝数为 n ，各相磁动势均为有效匝数和瞬时电流的乘积。设磁动势是正弦分布的，当 三相总磁动势与两相总磁动势相等时，三相绕组和两相绕组瞬时磁动势在口、 轴上的投影应相等，即 2 = 3 一3 , c o s 6 0 0 一3 c o s 6 0 。= 3 也一三一三七) ( 2 1 ) 2 ：3 s i n 6 0 。- n ，i cs i n 6 0 0 = ! ；3 ( 一i c ) ( 2 2 ) 为了便于矩阵的求反变换，在两相静止坐标系统中，增加一项零磁动势2 乞， 并定义为 2 乞= ：3 ( + + i c ) ( 2 3 ) 将三式合并在一起，写成矩阵形式，得到 8 江苏大学硕士学位论文 式中 一 n ， q ，22 葡 1 1 1 22 o 笪一鱼 22 kk k 1 1 i 22 o 笪一笪 22 kxk 阱，：豳 亿4 ， c 3 ，：是定子三相坐标系到定子两相坐标系的变换系数矩阵。 根据功率不变条件，应有= 四：，b p c , ，2 ：= e ，从而得出瓮= 层， i ， k = 生2 ，即得3 2 变换系数矩阵： 薅 压 c 3 ，2 - 悸 1 1 i o 巫一笪 压压压 222 反过来，可以求出从两相静止坐标系变换到三相静止坐标系，臣p c i a r k 逆变 换，简称2 3 变换，得到 c 2 ，3 = 吼= 店 lo 鱼 2 i也正 222 1压压 222 电流变换阵实际上也是电压变换阵，同时也是磁链变换阵。变换后的两相电压和 电流有效值均为三相绕组每相电压和电流有效值的手倍，因此，每相功率增为 9 m m = 1j k_l。 l 江苏大学硕士学位论文 三相绕组每相功率的三倍，变换后的两相绕组匝数是原三相绕组匝数的喜倍， 但变换前后总功率不变。 去掉零磁动势项，实际的电流变换式为 可得到： 轳s 。o ) ：d k 定予轴心 图2 5d 、g 坐标系和口，坐标系之间的变换关系 卧后 一压 q 坨= 、了 1一! 一1 22 o 笪一笪 22 1一!一三 2 2 o 笪一鱼 22 ( 2 5 ) ( 2 ) p a r k 变换 在图2 5 中的两直角坐标系中：口、坐标系为定子静止坐标系， 0 【轴与 定子绕组a 轴向重合；d 、q 为转子旋转坐标系，d 轴与转子磁链方向重合并以 同步速度缈逆时针旋转。两坐标系之间的夹角为0 。 两相定子坐标系到同步旋转坐标系之间的坐标变换，只要乘上一个旋转矩阵 即可： 芝 = c 易，由 乏 c 2 6 ， 阡 ；： 式中c ，由为口、坐标系到d 、g 坐标系的旋转矩阵， 1 0 ( 2 7 ) i ， i 江苏大学硕士学位论文 r- i c o s 0 乙印7 由l - s i n 0 c 名，印为d 、g 坐标系到口、坐标系的旋转矩阵， = i c o s 吕- 咖s i n 爿0 矽为口、坐标系和d 、q 坐标系之间的夹角。 2 3 2 三自由度磁轴承轴向和径向力数学方程 参见图2 2 ( a ) ，屯、拓产生的磁通中，口、胁、，c ，其合成磁通产生的 麦克斯韦力在而、乃轴投影为： 阱瞄- 1 2 2 捌- 1 2 圈 州- 1 2 - 1 2 蟛抽 亿8 ， 咄鼻删 b 2 夏嚣为径向电流刚度。 4 表示径向气隙； c 永磁体磁动势5 s 。轴向磁极面积。 墨径向磁极面积； ，径向线圈匝数。 参见图2 2 ( b ) ： 式中 互= 吒+ t z ( 2 9 ) f_j 口秒 1 s h 0 s c 江苏大学硕士学位论文 和嚣 p 赫 k 轴向电流刚度； 乞轴向位移刚度； 皖卅向气隙： m 轴向线圈匝数。 2 3 3 二自由度无轴承永磁同步电机径向力、电磁转矩力方程 定义f p 4 是永磁体等效电流分量幅值，则电机绕组和径向悬浮力绕组的磁链表 v m 憾 幻 弘，j 2 d 2 叮 = 【l 】 材+ l 埘4 叮 i s 2 d | j 2 口 通常情况下d 几乎为零，则磁链矩阵简化为： 式中： 【l 】= 甲m i d i ；，m q 虬2 d 虬2 叮 = 【l 】 厶钳0 0 m x r my r m y rm x r k k 4 窖 i $ 2 d 0 2 9 m x r m y r my rm x r l s 2 d 0 0 厶幻 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中l 。d 、l 。、厶：d 、t ：叮分别为四极电机绕组和两极径向绕 组的d 、q 轴自感； m 电机绕组和径向悬浮力绕组的互感相对于径向位移的导数。 1 2 江苏大学硕士学位论文 绕组中储存的磁能表达式为： w m = 批乙。锄 4 ，4 9 i s 2 d 2 9 ( 2 1 3 ) 如不考虑磁饱和，、”万同的彳仝同力为j 二、名，则： r = a w , , 钆，名= a 乡乞得到： 刚幺。g 矧豳 亿 经过变换得到在静止坐标口，夕中： 嘲= 瞄：捌 亿 径向悬浮力绕组电流t 2 d 和2 。变换到静止坐标口一a e ： 嘲= c o n s 研m t s i nmt彤fi,2：d叮 亿 无轴承永磁同步电机的电磁转矩公式为： 互= 1 5 p t p 4 幻+ ( l “一l 幻) 0 。d 0 幻】 ( 2 1 7 ) 式中： 所电机绕组极对数； 永磁体产生的磁链。 设幺、岛为电机绕组、径向悬浮力绕组初始角，令岛= 2 t a t + o , ，则 嘲= 瞄嚣概 亿 式中： 乙。口、。口静止坐标系口、中电机绕组等效电流。 令幺= t a n 一( 乙钾l i p 4 ) ，岛= 2 c o t + 幺+ 0 2 ，则 酬叫 - - 咖c o s 岛岛c s i n o s 啡o sjli,却口, 汜 江苏大学硕士学位论文 式中： = 厩 2 3 4 无轴承永磁同步电机运动方程 图2 6 是五自由度无轴承永磁同步电机转子的受力分析图。图中，下标“，” 表示左边的三自由度磁轴承，下标“，”表示右边的二自由度磁悬浮电机；0 为 转子的质心，x 、y 为转子质心坐标；o t 、 d ，分别为左、右坐标原点，重新定义x ，、” 为静止的坐标轴，则五自由度无轴承永磁同 步电机系统的运动方程如下： m j c l = f k 一，h m y i = f l y 一，l y m 芝= f z f z m x ，= fr x f r l m y t = f , y 一 ，9 r 二西= t 一瓦 所： 五 y f mx | ，；苎一”i 。71 7么一烈 歹_ l 土j7 厶3 站斤 图2 6 转子受力分析 ( 2 2 0 ) 式中： m 转子质量； 无、五、正、厶、厶而、所、z 、”方向的外扰力； ，转子转动惯量； 缈- 转子角速度； 瓦、瓦电磁转矩，负载转矩。 2 4 小结 本章介绍了五自由度无轴承永磁同步电机的结构，分析了五自由度无轴承 永磁同步电机工作原理，然后推导了五自由度无轴承永磁同步电机的数学模型。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章无轴承永磁同步电机控制策略研究 3 1 无轴承永磁同步电机矢量控制分析 无轴承永磁同步电机是一个多变量、非线性、有耦合的复杂系统。无轴 承永磁同步电机的悬浮力和旋转力矩之间存在耦合，因此实现无轴承永磁同步电 机悬浮力和旋转力矩之间的解耦控制是实现无轴承永磁同步电机控制的基本要 求。 对于传动永磁同步电机，可采用的控制方法主要有：屯= 0 控制、功率因数 c o s 孕 = 1 控制、恒磁链控制、最大转矩电流控制、弱磁控制、最大输出功率控制 等。不同的控制方法具有不同的优点，= 0 控制实现了永磁同步电机的解耦控 制，最简单也最常用；功率因数c o s 缈= l 控制降低了对逆变器的容量要求；恒磁 链控制可增大永磁同步电机的最大输出转矩；最大转矩电流控制可使单位电流 输出的转矩最大；弱磁控制永磁同步电机恒功率地运行与更高地转速；最大功率 输出控制以保证最大输出功率为前提。 对于本课题无轴承永磁同步电机试验样机，转子磁路对称，忽略凸极效应， 则有k d = 厶叮= l ，厶：j = 厶：。= 厶转矩公式可以简化为 互= 1 s p r u p 4 幻 ( 3 1 ) 因而最大转矩电流控制就是= 0 控制。屯= 0 控制在永磁同步电机控制中 应用最为成功，也很普遍。 在永磁同步电机调速系统中，最关键的问题是实现电动机瞬时力矩的高性能 控制。永磁同步电动机的电磁转矩是