（电力电子与电力传动专业论文）无轴承异步电机非线性解耦控制的研究(1).pdf

无轴承异步电机非线性解耦控制的研究 关键词：无轴承异步电机非线性解耦控制转矩绕组气隙磁场定向控制单d s p 控制 悬浮系统独立控制鼠笼转子感应电流径向力反馈控制 本课题受国家自然科学基金( 5 9 9 7 7 0 0 9 ) 和航空科学基金( 9 9 f 5 2 0 4 4 ) 资助 南京航空航天火学博士学位论文 a b s t r a c t b e a r i n g l e s sm o t o r h a sc o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i c so fm o t o ra n dm a g n e t i cb e a r i n g s i ti s an e w t y p em o t o rw h i c h c a ni m p l e m e n te l e c t r o m a g n e tt o r q u ec o n t r o la n dl e v i t a t i o nf o r c e c o n t r o la l li nt h em o t o ra tt h es a m et i m e t h eb e a r i n g l e s st e c h n o l o g yo fm o t o r sh a st h e h e r m i t so fc o m p a c t n e s s ，h i g hr e l i a b i l i t y ，s h o r t e n e ds h a f tl e n g t ha n dr e d u c e ds y s t e ms i z e ， h i g hs p e e d o rh i g h p o w e ro p e r a t i o n s a tt h es a m e t i m ei tp o s s i b l yi n h e r e n t l yr e d u c e sc o s t a n di m p r o v e sr o t o rd y n a m i c s t h e r ea r eal o to fk i n d so f b e a r i n g l e s sm o t o r s ，a m o n gw h i c h t h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o ri so n eo f t h ef o c u s e so f t h i sr e s e a r c hf i e l da tp r e s e n td u et o i t s s i m p l e s t r u c t u r ea n d h i g hr e l i a b i l i t y t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h en o n l i n e a r d e c o u p l i n g c o n t r o lo ft h e b e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o r i n c l u d i n ga c c o m p l i s h m e n t o f b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o rs y s t e m ，s i n g l ed s pc o n t r o l l i n g ，t h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo f l e v i t a t i o ns y s t e m ，t h ei n f l u e n c eo fi n d u c ec u r r e n ti n s q u i r r e lc a g ec a u s e db yl e v i t a t i o n c o n t r o lw i n d i n ga n dt h ei n f l u e n c eo f r o t o re c c e n t r i c i t y ac o n t r o ls y s t e mo f b e a r i n g l e s si n d u c t i o n m o t o rb a s e do n t o r q u ew i n d i n g a i rg a pf i e l d o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o li sa c c o m p l i s h e d a st h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o ri sas t r o n g l y c o u p l e dc o m p l i c a t e dn o n l i n e a rs y s t e m ，t h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo fe l e c t r o m a g n e tt o r q u ea n d r a d i a ll e v i t a t i o nf o r c ei st h eb a s eo ft h es t a b l eo p e r a t i o no f b e a r i n g l e s sm o t o r b a s e do n t h e l e v i t a t i o np r i n c i p l eo fb e a r i n g l e s sm o t o r ，t h et o r q u ew i n d i n ga i rg a pf i e l do r i e n t e dv e c t o r c o n t r o li su t i l i z e dt or e a l i z et h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo ft h en o n l i n e a rs y s t e me v e ni nt h e t r a n s i e n tc a s ea n d a i m i n g a ts q u i r r e lc a g eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r ，ac o n t r o ls y s t e mi s a c c o m p l i s h e da n d t e s t e do nt h et e s tm a c h i n e t h el a b o r a t o r yb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o ri s s u c c e s s f u l l yl e v i t a t e df o rt h ef i r s t i no u rc o u n t r ya n dc a nb eo p e r a t e ds t a b l ea sw e l la s t r a n s i e n tc o n d i t i o n s t h ep r o b l e m so fc o m p l i c a t e dc o n f i g u r a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nd e l a yb e t w e e nt h e d u a lw i n d i n g so f b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r r e s u l ti nt h ea i rg a pf l u xe r r o rb e t w e e nd u a l w i n d i n g sa n dd e t e r i o r a t e s t h e d e c o u p l i n gb e t w e e nt o r q u e c o n t r o la n dl e v i t a t i o nf o r c e c o n t r o la n dt h el e v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so 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 es c h e m eo f c o n t r o l l i n g d u a l w i n d i n g s o f b e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o r u t i l i z i n gs i n g l e d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) i sp r o p o s e d t oo v e r c o m et h ea i r g a p f l u xe r r o rb e t w e e nd u a l w i n d i n g sc a n s e db yc o m m u n i c a t i o nd e l a yb e t w e e nt h ed u a lw i n d i n g s t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n so f t h ec o n t r o ls y s t e ma r eo p t i m i z e d t h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo ft o r q u ew i n d i n ga n dl e v i t a t i o nc o n t r o l w i n d i n gi s a n e f f e c t i v ew a yo fh i g hs p e e do p e r a t i o nf o rb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r s a i m i n ga tt h e c o m p l i c a t e dn o n l i n e a rs y s t e mo fb 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 hi ss t r o n gc o u p l e db y 无轴承异步电机非线性解耦控制的研究 t o r q u ew i n d i n gf l u x ，b a s e do nt h ei n d e p e n d e n tc o n t r o la l g o r i t t u no f t h el e v i t a t i o ns y s t e m ， t h ev o l t a g e m o d e lm e t h o di d e n t i l y i n gt h ea i rg a pf l u xo ft o r q u ew i n d i n gb a s e do nt h e i n v e r t e rs w i t c h i n gs t a t ea n da i rg a pf l u xm o d e la r ep r o p o s e dt or e a l i z et h ei n d e p e n d e n t c o n t r o lo ft h el e v i t a t i o ns y s t e m i ns u c hw a y , n o to n l yt h eh i g hs p e e do p e r a t i o nb e c o m e p o s s i b l e ，b u ta l s ok e e p s t h ec o n t r o lp r o j e c to f t h em o t o rf l e x i b l e a sa ni n d u c t i o nm o t o r , i ti si n e v i t a b l yf o rt h el e v i t a t i o nc o n t r o lw i n d i n go fb e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o rt oi n d u c ec u r r e n ti nt h es q u i r r e lc a g e i ti st h ec u r r e n tl o s so f t h el e v i t a t i o n c o n t r o lw i n d i n g t h ec u r r e n tl o s so ft h el e v i t a t i o nc o n t r o lw i n d i n gr e s u l t si nt h ea i rg a p f l u xe r r o ro ft h el e v i t a t i o nc o n t r o lw i n d i n ga n di n f l u e n c e st h e d e c o u p l i n g o fr a d i a l l e v i t a t i o nc o n t r o lf o r c et h ea i rg a pf l u xf e e d b a c kc o n t r o lo ft h el e v i t a t i o nc o n t r o lw i n d i n g i s p r o p o s e dt o e l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fi n d u c ec u r r e n to fs q u i r r e lc a g ec a u s e db yt h e l e v i t a t i o nc o n t r o lw i n d i n g i ti si n e v i t a b l ef o rb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o rt oo p e r a t i o nw i t hr o t o re c c e n t r i c i t y n o to n l yt h ea c t i v ec o n t r o lf o r c e ，b u tt h eu n b a l a n c er a d i a lm a g n e t i cp u l lf o r c ec a u s e db y r o t o re c c e n t r i c i t ya c to nt h er o t o r a i m i n ga tr o t o re c c e n t r i c i t yo p e r a t i o no fb e a r i n g l e s s i n d u c t i o nm o t o r ，t h ef o r c ea c t i n go nr o t o ri sa n a l y z e da n dr a d i a lf o r c ef e e d b a c kc o n t r o li s p r o p o s e d t oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fl e v i t a t i o ns y s t e m k e y w 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 ，n o n l i n e a rd e c o u p l i n gc o n t r o l ，a i rg a p f i e l d o r i e n t e dc o n t r o lo ft o r q u ew i n d i n g ，s i n g l ed s pc o n t r o l ，i n d e p e n d e n t c o n t r o lo fl e v i t a t i o ns y s t e m ，i n d u c ec u r r e n to fs q u i r r e lc a g e ，r a d i a lf o r c e f e e d b a c kc o n t r o l 4 s u p p o r t e db y t h en a t i o nn a t u r a ls c i e n c ef 0 i m d a t i o n ( 5 9 9 7 7 0 0 9 ) ，t h e a e r o n a u t i c ss c i e n c e f o u n d a t i o n ( 9 9 f 5 2 0 4 4 ) w 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不 包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名 = _ |期 岳嚷塔 竺兰：! ! ! 乡 南京航空航天大学博士学位论文 1 1 无轴承电机概述 第1 章绪论 1 1 1 无轴承电机的研究意义及概述 随着科学技术的进步，高速和超高速电机在机床主轴、涡轮分子泵、离心机、压 缩机、机电贮能、航空航天等领域获得广泛的应用。支撑轴承技术一直是高速电机发 展的“瓶颈”。高速电机一般采用气浮、液浮和磁浮轴承，气浮和液浮轴承需要专门 相配的气压、液压系统，造成电机系统结构复杂、能耗大、效率低。磁浮轴承具有无 润滑、无磨损、无机械噪声和结构简单的特点，经过近三十年的发展和完善，在高速 电机中使用比例越来越大。但由于磁轴承本身占有一定的轴向空间，轴向利用率低， 限制了其临界转速和输出功率，也影响到高速电机的微型化，另外磁轴承的成本过高 也影响到它的广泛使用。 提高电机系统轴向利用率，相应也就提高了电机的临界转速和输出功率。一种途 径是研究集轴向悬浮和径向悬浮功能于一体的轴向径向混合磁轴承，如锥形磁轴承 等；另一途径就是研究集径向悬浮功能和驱动力矩功能于一体的新型电机，这种途径 对提高电机系统轴向利用率尤其显著。 ( a ) 图1 1 磁轴承电机和无轴承电机 ( b ) 无轴承电机( b e a r i n g l e s sm o t o r ) ，是利用电机定子上两套绕组共同作用产生径 向磁场力( 麦克斯韦力) 将旋转的转子悬浮于空间，使转子和定予之间没有接触的一 种新型高性能电机。无轴承电机是一种科技含量较高的机电能量转换装嚣，它的种类 很多，但其组成和工作原理是相似的。简单的说就是根据磁轴承结构和交流电机定子 结构的相似性( 如图卜l 所示) ，把磁轴承中产生：悬浮控制力的绕组和原电机转矩绕 无轴承异步电机非线性解耦控制的研究 组共同绕制在电机定子上，使电机的悬浮控制力磁路和旋转磁路合成一个整体，并通 过两套绕组分别独立地控制电机的旋转和转轴的悬浮。由于无轴承电机具有无摩擦、 无磨损、无需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长以及无需外加五个自由度的辅助 磁悬浮轴承等一系列优良品质，因此从根本上改变了传统的轴承或磁轴承支承型式。 无轴承电桃无轴承电桃轴向磁轴承无轴承电机 图l 一2 无轴承电机系统的典型结构类型 对电机来说要想实现悬浮工作，就要保证转子在五个自由度的悬浮，即一个轴向 和四个径向的悬浮。图l 一2 为两种典型的五自由度无轴承电机的结构类型，图1 2 ( a ) 为由一个三自由度的磁轴承和一个两自由度的无轴承电机构成的五自由度无轴承电 机系统，图卜2 ( b ) 为由两个两自由度无轴承电机和一个单自由度轴向磁轴承构成的 五自由度无轴承电机系统。 1 1 2 无轴承电机在国内外的发展概况 无轴承电机有两种定义方式，分别从电气工程和机械工程的角度进行定义为“无 轴承电机是带有磁集成轴功能的电机”和“无轴承电机是磁集成电机功能的磁轴承”。 绝大多数的研究者将它的术语定义为“无轴承电机”。其他的还有“电机磁轴承”、“组 合电机轴承”、“自轴承电机”、“径向力电机”或“悬浮旋转电机”等。 无轴承交流电机的思想最初是由r b o s c h l l l 于八十年代末提出来的，在 j b i c h s e l 2 1 实现了同步电机的无轴承技术之后，无轴承交流电机的研究开始引起重 视，之后美国、目本开始大力资助这项高新技术的研究。九十年代至今，交流异步电 机、同步磁阻电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的无轴承技术相继研究成功，并有 部分成果商品化。目前无轴承电机的应用已不仅仅局限于高速驱动领域，在一些生、 化、医、机电等特殊领域也逐渐展示其独特的优越性。正因为如此，无轴承电机一直 受到工业界的高度重视，瑞士、德国、日本、美国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是高速电机研究领域的热点之一。 2 南京航空航天大学博：i 二学位论文 目前，国际上对无轴承电机的研究工作和学术气氛非常活跃，在国际电工学科通 常将无轴承电机技术归类为磁轴承技术一类，1 9 8 8 年在瑞士苏黎世召开了第一一届国 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 hm a g n e t i cb e a r i r i g s ) ，此后每 两年召丌一次。美国航空航天局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 no fm 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 ) 的学术讨论会。 美国从1 9 9 1 年起，在上下两届国际“磁悬浮轴承会议”的中间一年，召开国际“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 t i mo nm a g n e t i ct e c h n o l o g y ) ，也是每两 年召开一次。此外，瑞士、日本、美国、法国和我国等国家都在大力支持开展无轴承 电机的研究和应用工作，国际上的这些努力，大大推动了无轴承电机的理论研究和在 工业中的广泛应用。就目前研究水平而言，瑞士联邦工业学院( e t h ) 和东京理工大 学( s c i e r c eu n i v e r s i t yo ft o k y o ) 在无轴承电机研究领域处于领先地位。 国内对无轴承电机的研究工作起步较晚，尚处于实验室阶段，未见有报道工业实 验运行的例子。研究首先在9 0 年代术，清华大学、沈阳工业大学p 。j 、西安交通大 学”i 、浙江大掣7 1 、南京航空航天大学 8 - t 7 】等单位都在开展这方面的研究工作。由于 无轴承电机涉及到电机理论、机械设计、转子动力学、控制理沦、电力电子技术、电 磁理论、测试技术、计算机技术及数字信号处理技术等众多学科的知识，研究难度相 当大，加上科研经费不够充足，到目前为止尚未能取得大批量成果，仅仅处于单机实 验阶段。 1 1 3 无轴承异步电机在国内外的研究概况 从第一次无轴承电机概念的提出、实现【1 1 2 】到今天，在短短的二十年时间里，无轴 承电机得到了广泛的研究 1 “。目前国际上研究的磁悬浮电机主要有3 种，磁阻型 磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机和永磁型磁悬浮电机。除了分析无轴承的基本原理及 推导电机电流、电压及悬浮力的关系外，针对不同的类型，研究侧重有所不同。 对于无轴承电机的电磁结构，从理论上分析了相关极对数绕组构成的无轴承电机 悬浮机理 2 4 m ，并深入研究了无轴承电机的基本极对数关系 2 7 , 2 8 ，提出了系统的结构 并进行了实验研究，从而引导了电机无轴承技术的发展。目前就定子绕组结构看，4 2 极绕组结构形式采用的比较多，即转矩绕组4 极、悬浮控制绕组2 极。这种定子结构 对圆桶式和凸极式的转子均有效，在圆桶式转子结构中很容易互换两组绕组的功能， 在鼠笼式感应电机利用2 极绕组做转矩绕组有便于解耦磁场的优点。p 极和p + 2 极绕 组结构的优点是三相绕组的中点可以连接在一起作为中性点，可以实现对另外六个终 端的独立电流控制。 无轴承电机中转矩和悬浮力控制通过电机磁场发生耦合，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，实现了转矩和悬浮控制力间的解耦控制1 29 圳。同时针对磁场定向偏 无轴承异步电机非线性解耦控制的研究 差对悬浮控制力产生的偏差影响，应用气隙磁场定向控制解决了无轴承电机动态时的 稳定悬浮问题并分析出磁通矢量相位差产生原因是由于转子电阻变化和电机漏感分 布 3 1 , 3 2 。 针对鼠笼式异步电机悬浮控制绕组中部分电流感应在转子鼠笼绕组中造成实际 悬浮控制力小于给定值而引起的悬浮控制力和悬浮控制绕组电流之间存在明显的相 位滞后问题，在径向位移控制器中采用了相位滞后补偿器实现鼠笼式无轴承异步电机 的稳定悬浮，但这种方法只提供了静态力补偿而没有对其他频率成分进行补偿【3 ”，进 一步的研究根据转子转速在所有频率成分上对补偿器进行重建【3 。并从理论一k 分析了 转子电流对鼠笼式无轴承异步电机悬浮控制力的影响，说明径向悬浮控制力由对应气 隙磁链的电流产生，转子中感应电流使得悬浮控制力出现延迟和损耗o s 。针对悬浮控 制绕组的这种损耗问题，也有的学者提出应用磁链检测的方法实现磁场闭环控制口“。 同时转子结构设计上的改变，也可以使得转子中只感应转矩绕组的电流，而悬浮控制 绕组在转子中无感应电流，这种方案在磁链变化的时候具有明显的优势，而且控制器 简单，但是转子的结构相当复杂p “。 鼠笼式无轴承异步电机有空载和负载下的不同工况，为此针对转子电路对无轴承 电机工作的影响、负载对径向悬浮力耦合的影响及如何实现负载情况下径向悬浮力解 耦工作进行了研究1 3 8 , 3 9 1 。 针对无轴承电机需要实现五个自由度的悬浮控制问题，提出了两个径向两自由度 的无轴承电机和个轴向单自由度的磁轴承的组合的结构形式1 4 址4 “，类似的五自由度 无轴承电机成为一段时间研究的典型结构。 在对电机结构的分析上，对永磁同步电机的研究最为广泛，针对转子磁铁厚度， 也就是电感函数的优化选择问题，对最优磁钢厚度值进行了实验研究，并得出悬浮控 制力和悬浮控制绕组电压电流的关系【4 4 1 。并针对不同磁钢安装形式的永磁同步无 轴承电机，在产生相同转矩的情况下，对它们的径向稳定性进行分析和比较1 4 5 。另 外对于开关磁阻电机也分析了其基本设计思路，提出了无轴承开关磁阻电机磁路主要 尺寸的决定方法【4 6 l 。 无轴承电机通过磁场实现悬浮控制，因此磁饱和的影响不可忽视，针对电机的磁 饱和问题，分析了磁饱和对无轴承电机磁链和悬浮控制力的影响以及磁饱和对悬浮控 制力和悬浮控制绕组电流关系的影响，提出根据磁饱和程度来调节实现对解耦控制方 法的补偿f 4 7 吲】。 无轴承电机支持主轴的电力几乎为无效电力，根据无轴承电机两套绕组极对数的 特点，使悬浮控制绕组工作在发电状态，有效电力由自激发电获得，而无需外加电源 供电，这样通过对悬浮控制绕组的工作状态的控制就可以实现径向位置控制侧变换器 的无电源运行，也就是无轴承电机的自供电技术，从而实现无轴承电机的单电源供电 l s 2 s 4 l 。但由于自激发电和转速有关，所以无电源运转就有一个速度范围，目前特殊 工作条件下所能达到自供电的最低转速为5 5 0 0 r m i n 。 4 南京航空航天大学博士学位论文 无轴承电机需要昂贵的位移传感器去检测转子偏移量来实现转子悬浮控制的问 题，因此基于自感变化或互感变化的无位置传感器控制方法1 5 ”j ，即位置自传感方法 得到发展。 由机械误差引起的转子偏心会产生很大的磁引力，这种内在的大的磁引力也是困 扰电机转子振动和噪声的一个原因，为了减少振动有必要补偿磁引力，提出在转子径 向位移反馈控制器增加前馈补偿环节去无延迟地主动补偿磁引力【5 ”，或者利用径向力 反馈的概念【5 8 j 去补偿转子偏心影响l 。 1 1 4 无轴承电机的特点及工业应用 1 无轴承电机的特点 与传统机械轴承、气浮轴承，液浮轴承及同为电磁悬浮的磁轴承电机相比，无轴 承电机具有如下的优点： ( 1 ) 悬浮控制绕组缠绕在电机的定子上，不占用额外的轴向空间，无轴承交流 电机的轴向长度可以、发计得较短，从而提高了其临界转速。从某种意义上讲，电机转 速能够从根本上摆脱轴承因素的制约，只受材料强度的限制。因此无轴承电机将很大 程度上拓宽了高速电机的应用领域，特别是小体积、高转速、长寿命的应用领域，如 要求无粉尘、无润滑、小体积的计算机高速硬盘驱动装置、超薄节能空调、微型高速 机床等。 ( 2 ) 无轴承电机由于充分利用了其轴向空间，在转轴长度保持一定的条件下， 其输出功率将大幅度提高。 ( 3 ) 结构紧凑，微型化。体积可以更小、重量可以更轻、结构更趋简单，维 修更为方便。 ( 4 ) 电能消耗减少。对无轴承电机而言，传统磁轴承中的直流励磁电流不再需 要，使转子悬浮的电机悬浮控制力的产生是基于电机本身的励磁磁场作偏置磁场。 ( 5 ) 系统成本降低。一套磁轴承系统需要4 个功率放大器，而采用无轴承电机 其悬浮控制只需一个三相逆变器。 无轴承电机主要缺点是：与普通电机比较，电机本体需要有两套绕组，需改变了 电机定子绕组构成；刚度较滚动轴承小：必须使用控制器实现悬浮；电机悬浮是以电 机旋转工作为基础，而且危机情况下应变能力弱，因此需配备辅助轴承；另外无轴承 电机尚处于发展阶段，不能形成大批量生产，而且结构复杂，从而导致无轴承电机价 格很高，难于大面积推广应用。 2 无轴承电机的工业应用 ( 1 ) 飞轮贮能：飞轮贮能是以高速旋转的飞轮质体作为能量贮存的介质，利用 电动发电机和电子控制设备来控制能量的输入和输出。采用无轴承电机可以增加了轴 向空间利用率，减低了重量、体积，较大幅度提高了贮能系统的“比能量”。 无轴承异步电机非线性解耦控制的研究 ( 2 ) 人工血泵：血泵是在大型手术中，给病人提供压力、流速可调的血液；或作 为心脏移植手术前的临时心脏使用。要求其结构简单、密封性能好、起动容积小、压 力可调节、容易安装泵头、且便于一次性处理。血泵发展过程中经历了滚子血泵、磁 耦合离心泵、磁轴承离心泵阶段。这些类型的泵或因易造成血液损坏、微粒污染，或 因摩擦和发热引起溶血、凝血和血栓，或因造价高不便于一次性处理均不能完全满足 血泵的要求。采用无轴承圆盘式电机的血泵则能完全满足性能要求。电机的应用特点： 不需要主轴，设计更为灵活；泵头组装容易，泵体清洗和替换容易；采用叶轮 传动，血细胞损坏率极低；泵室结构简单、不存在密封问题。 ( 3 ) 无轴承电机在机械领域中的应用 a 振动阻尼：在机械轴承支撑的转子系统中，当转子端部受到外力作用时，转 子中部弯曲程度很大。采用无轴承电机后，径向力作用在转子中部，转子弯曲程度得 到明显改善。而达到同样的效果，采用磁轴承系统( 作用在转轴两端) 则需较大的径 向力。由于转子的弯曲模式可以得到有效控制，在机床主轴设计中独具优越性，机床 的加工精度将随主轴的刚度提高而提高。 b ，机械轴承卸载：在大功率、重载使用场合，可采用无轴承电机和机械轴承的 组合系统。无轴承电机可承担大部分负载，相应降低了机械轴承的承载，大幅度延长 机械轴承的使用寿命。 c 用做旋转机械转子振动主动控制装置：无轴承电机的悬浮控制功能使得其具 有主动控制转子振动的功能，对电机机组的振动控制、监测等问题有很多优越性。 1 1 5 无轴承电机的发展趋势 今后无轴承电机的发展大致集中在以下几个方面： ( 1 ) 数字控制器硬件和软件的研究 为满足无轴承电机更高的性能要求，控制器的数字化、智能化、集成化是必然的 发展趋势，而要求设计的控制软件功能越来越完善，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。 ( 2 ) 自传感( 检测) ( s e l f - s e n s i n g ) 技术和自供电技术的深入研究 为了实现转子的悬浮，就要实时检测转子轴的位置，而目前无轴承电机需要的位 置传感器不仅数量多，而且价格昂贵，同时还增加了无轴承电机的体积和长度，目前 所知的自传感方法难于保证高精度和强鲁棒性，因此需要进一步研究通过电机工作本 身参数的变化来识别转子轴的位置的方法。另外悬浮控制绕组的功率消耗和增加的一 套外接供电线路，使无轴承电机系统外部结构复杂、效率降低，因此利用无轴承电机 本身两套绕组存在极对数差及主要工作在高速状态的特点，使悬浮控制绕组工作在发 6 南京航空航天大学l 枣士学位论文 电工作状态，实现无轴承电机悬浮控制绕组的可靠自供电对高速电机集成化尤为重 要。 ( 3 ) 独立控制技术的研究 由于无轴承电机的悬浮是定子上转矩绕组和悬浮控制绕组相互作用的结果，实现 电磁转矩和悬浮力之问的解耦控制是无轴承电机运行的基本要求，也是该领域研究的 难点。典型的基于转矩绕组气隙磁场定向控制算法缺乏实用性并且存在最大转矩限 制，影响到它在重载和大功率条件下的应用，同时其复杂的解耦算法还缺乏应用上的 灵活性。通过在线辩识转矩绕组的气隙磁场的幅值和相位方法可以实现无轴承异步电 机转矩绕组和悬浮控制绕组的独立控制。但目前的辩识方法还无法保证辨识精度，因 此对独立控制还需深入的研究。 ( 4 ) 电机结构、参数研究 根据无轴承电机的特殊结构和工作要求，要对无轴承电机进行优化设计。主要研 究对象是电机定转子结构形式、绕组的绕制方式、导线的厚度问题等因素对无轴承电 机参数、悬浮控制绕组电流控制、悬浮特性等工作效能的影响。 另外磁饱和、不同负载工作等因素的存在都会影响到电机的磁场分布和强度等 级，而这些对电机的悬浮工作都会产生很大的影响。 电机参数在不同工作环境下是在发生变化的，即使不是无轴承电机，关于消除电 机参数变化对电机工作的影响也一直是电机研究领域的一个热点，但对参数影响的分 析和控制尤其是转子参数的影响多数是围绕着转子磁场定向控制来进行的，对于气隙 磁场定向的研究成果很少，而且对无轴承电机来蜕，参数变化的影响已不局限于转子 时间常数等几个参数。应用直接磁场定向或独立控制等方法虽然可以很大程度上消除 参数变化的影响，但同时带来电机结构的复杂和相应的参量检测等问题，对这些问题 的引入带来的影响也要进行相应的分析和研究。如何设计有效实用的考虑参数变化的 控制系统，是面临的难点之一。 ( 5 ) 无轴承电机对电机机组的振动控制、监测等问题的解决有很多优越性，因 此对无轴承电机的机电动力学与控制系统相耦联的非线性动力学的研究有广阔的发 展前景，但目前对无轴承电机动力学方面的研究基本尚未展开。无轴承电机的转子系 统的机电耦联振动是比较复杂的，涉及到多个学科的理论基础，包括力学、电学及其 交叉的学科，需要正确建立其机电耦联的数学模型。因此对无轴承电机的机电动力学 与控制系统相耦联的非线性动力学的研究有很大的应用价值 5 9 , 6 1 】。 ( 6 ) 无轴承电机的磁悬浮力数学模型是无轴承电机本体设计和控制系统设计的 基础，目前对其数学模型的研究尚不深入，影响了控制系统的设计和各种现代控制理 论方法的应用，因此对无轴承电机数学模型的研究急待深入。 无轴承异步电机非线性解耦控制的研究 1 2 论文工作及内容安排 本论文中所要研究的是两自由度无轴承异步电机。从图卜1 ( b ) 看，即忽略径 向和轴向磁轴承，单独研究两自由度的无轴承电机部分。 1 2 1 论文工作的提出 无轴承电机是未来一段时间罩电机领域的研究方向之一，独特的优点使得无轴承 电机具有广阔的应用前景，在各种类型的无轴承电机中，无轴承异步电机以其结构简 单和高可靠性成为这一研究领域的热点。无轴承电机的研究在国内刚刚起步，在实验 研究方面尚属空白，所以作为博士论文的研究方向提出很有意义。但由于开始课题研 究时无轴承电机在国内的研究尚处于一种摸索的阶段，除了以无轴承电机系统实现这 一基础为重点，在其他具体研究的问题方面常常处于尝试的状态，因此在论文内容结 构上难于做到理想，只堪作为在无轴承电机研究领域论文工作的一种尝试。 1 2 2 论文的内容安排 第一章绪论：介绍无轴承电机在国内外的发展状况、无轴承电机的组成、特点、 工业应用领域及其发展趋势，介绍了本文选题的主要目的，沦文的内容安排。 第二章无轴承异步电机的基本理论：介绍了无轴承电机的工作原理，分析了异 步电机转子偏心情况受到的麦克斯韦力，并针对定转子同心的无轴承异步电机，系统 地分析了其悬浮控制机理，阐明了实现无轴承异步电机悬浮控制的核心问题。 第三章基于转矩绕组气隙磁场定向控制的无轴承异步电机控制系统；通过转矩 绕组气隙磁场定向控制算法实现了无轴承异步电机的悬浮控制，并应用模数混合系统 实现了原理样机的悬浮控制，为无轴承电机的研究打下了基础。 第四章无轴承异步电机单d s p 控制：针对无轴承异步电机两个d s p 工作的结构 复杂的缺点和由双机通讯引起的两套绕组气隙磁链角度延迟问题，在由t m s 3 2 0 f 2 4 0 组成的控制系统的基础上，提出应用一个d s p 来实现对无轴承异步电机系统两套绕组 的控制的思想，提高了悬浮系统工作的可靠性。 第五章无轴承异步电机悬浮系统独立控制：提出基于逆变器开关状态和气隙磁 链模型辨识无轴承异步电机转矩绕组的气隙磁链信息的方法，并应用两种方法分别实 现了无轴承异步电机的独立控制。 第六章无轴承异步电机鼠笼转子影响及磁链闭环控制：针对无轴承异步电机悬 浮控制绕组在鼠笼转子感应电流对悬浮控制的影响，提出应用悬浮控制绕组气隙磁链 闭环控制来消除悬浮控制绕组气隙磁链的偏差和悬浮控制力的耦合。 第七章无轴承异步电机转子偏心影响及径向力反馈控制：针对无轴承异步电机 转子偏心工作问题，对无轴承异步电机转子偏心时的受力情况进行了分析，并以此为 r 南京航空航天人学博士学位论文 基础，提出了应用径向力反馈控制的方法来提高无轴承异步电机悬浮控制系统的控制 精度。 第八章总结论文所做的工作，并对以后的进一步研究方向提出了设想。 无轴承异步电机非线性解耦控制的研究 第2 章无轴承异步电机的基本理论 2 1 旋转电机的电磁力 在异步交流电机中有两种不同的磁力：洛伦兹力和麦克斯韦力 6 2 】。 2 1 i 洛伦兹力 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生转矩。图2 - i ( a ) 以电流和磁链均为正弦分布的两极电 机为例来说明洛伦兹力和旋转力矩的产生。 一 ( a ) 2 1 2 麦克斯韦力 ( b )( c ) 图2 1 洛伦兹力和麦克斯韦力 磁路中在不同的磁导率( 如空气和铁心) 的磁性物质边界上形成的磁张应力称之 为麦克斯韦力( m a x w e l l 力) ，也称为磁阻力。对于电机来说，作用在电机转子上的 力主要有转子重量、外施负载力以及电机本身产生的作用在转子上的电磁力( 麦克斯 韦力) 。电机中垂直作用于电机转子表面的麦克斯韦力很大，但当转子与定子同心的 时候电机中磁通是对称分布的，其麦克斯韦力合力为零，如图2 1 ( b ) 所示。但考 虑到交流电机定转子、轴承和轴的尺寸的变化以及转子重量等因素，很难假设转子和 定予有良好的同心度。当转子偏离了电机定子中心，引起电机磁通分布的不均匀，则 作用在转子上的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，使转子 进一步偏离同心位置，如图2 一l ( c ) 。转子的偏移量越大，麦克斯韦力也越大，该力 的作用相当于一个负刚度的弹簧力。 南京航空航天大学博十学位论文 2 1 3 转子偏心时的麦克斯韦力 当电机定转子不同心的时候 的气隙图如图2 2 所示，转子偏 心时气隙可以近似表达为如下形 式 烈妒，t ) = 瓯一c o s 6 p 一，) ( 2 1 ) 其中d 、为定转子中心重合 时的平均气隙长度，s = x 2 + 2 为转子偏心。 把气隙磁导展开成傅立叶级 数形式 会产生作用在转子上的麦克斯韦力6 3 1 。电机偏心时 图22 电机转子偏心时气隙图 a ( 妒，) 2 瓦 d 历o 。百磊i 而o 丝8 0 盏争f 马8 0 - ”c 。s ”( 妒一y ) a 。c o s n ( 妒- 7 ) 其中o 为磁导率，傅立叶系数人。为 盈! 曩陌 1 一f 1 一f 三) 2 、舐 s d n ” ( 胛 0 ) ( 22 ) ( 2 3 ) 电机中气隙磁势是由定子绕组和转子绕组共同产生的合成气隙磁势，即 f ( 妒，f ) = bc o s ( 一p 妒) + 一c o s ( o m p 妒一) ( 2 - 4 ) 其中只是定子绕组基波磁势幅值，e 是转子绕组基波磁势幅值，p 是电机的磁 极对数，m 是电角频率，是转子电流滞后定子电流的相位角。在忽略了谐波分量以 后，合成气隙磁势也可以表示为 l 南 i 塑坠燮绁绁壅 产( 妒，02 匕。0 8 ( c o t p e p 一卢) ( 2 5 ) 其中是合成基波磁势幅值，是气隙磁势的初始相位角。则气隙磁密为 四= 争，= a ( 例) 。，( 硝1 ( 2 - 6 ) 3 - n 导无矗霎? j l 三警攀妻兰要苎坌苎些鎏皇坌量小的多，可以忽