（电力电子与电力传动专业论文）无轴承异步电机基础理论与实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o r , w h i c hc o m b i n e sf l f l t i o no f i n d u c t i o nm o t o ra n dm a g n e t i c b e a r i n g s c a np r o v i d eb o t ht o r q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e s n 峙r o t o ro ft h es e l f - b e a r i n g i n d u c t i o nm o t o rc r o t a t ew i t hn om e c h a n i c a lf r i c t i o n i nr e c e n ty e a t s , s e l f - b e a r i n gm o t o r sh a v e b e e nd e v e l o p e df o rh i g h - s p e e dm a c h i n et o o 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 s ，b l o o dp u m p s a n dc o m p u t e rd i s kd r i v e s ，a n dh a v ep r o v i d e dr e a l i z a t i o nm e t h o d sf o rm a n ys p e c i a ld r i v e s t h es e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o ri sas t r e n g * c o u p l e d ，n o n l i n e a r , m u l t i - v a r i a b l ec o m p l i c a t e d s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e s0 1 1t 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 so fs e l f - b e a r i n g i n d u c t i o nm o m ri n c l u d i n gm a t h e m a t i cm o d e l s , f l u xo r i e n t e d c o n t r o l l e r , s p e e ds e n s o r l e s s t e c h n o l n g ya n dt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n t h ed e t a i lc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fr a d i a ls u s p e 啮i o nf o r c ei se x p o u n d e d t h em a t h e m a t i cm o d e l so f r a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sa n dr o t a t i o np a r to ft h es e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o ra r ed e d u c e d 。t h e c , o l r r e c t n e s so fs u s p e n s i o np r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i cm o d e l sa r ev e r i f i e db ya n s y ss o f t w a r e , w h i c hi sf i n i t ee l e m e ma n a l y s i ss o r w & eo fe l e c t r i c a lm a c h i n e s i no r d e rl or e 蝴i z et h ed e c o u p l i n g c o n t r o lo f t o r q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sf o rs e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o r , t w oc o n t r o ls y s t e m b a s e do nr o t o rf l u xo r i e n t e dc o n u o la n da i r - g a pf l u xo r i e n t e dc o n t r o la r ed e s i g n e d n 垃t w oc o n t r o l s y s t e m sa g es 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 s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a tr o t o r 锄 s u s p e n s i o ns t o a d i l y , t o r q u e a n dr a d i a l s u s p e n s i o ns u b s y s t e m s 锄o p e r a t ei n d e p e n d e n t l y a c c o f d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s , t h er o t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o la n da i r - g a pf l u xo r i e n t e d c o n t r o la g ec o m p a r e da n da n a l y z e d s e c o n d l y , a c c o r d i n gt oam o d e lm f e m n a d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) , am e t h o df o re s t i m a t i n g 船s p e e do f s m m o r l e s ss e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o rd r i v e si sp r o p o s e d n 埠m a t h e m a t i cm o d e l so f m r a sa r ed e d u c e d , a n dt h es p e e ds e n s o r l e s sf l u xo r i e n t e dc o n t r o ls y s t e mo fs e l f - b e a r i n g i n d u c t i o nm o t o ri sc o n s t r u c t e d u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x , t h es i m u l a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d i t 锄b es n 慨t h ec o n t r o ls y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c eb ys i m u l a t i o ni nd i f f e r e n t s p e n d s f i n a l l y , b a s e do i lt h ep r i n c i p l eo fr o t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r o l ，t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e du s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao f l lc o r p o r a t i o n , a n dt h ef l o w c h a r t so f e a c hf u n c t i o n a lb l o c k a r ep r e s e n t e d b a s e do nt h ep r o t o t y p eo f s e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o r , t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi s d e b u g g e da n do p t i m i z e d t h ee x p e r i m e n t a lr i go f d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi ss e tu pa n di su s e dt o v a l i d a t ec o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：s e l f - b e a r i n gi n d u c t i o nm o t o r , m o d e l ，c o n t r o ls t r a t e g y , s p e e ds e n s o r l e s s ，d i g 删 c o n t r o i e r o j 鳅s u p p m l e d b y n a l o n a l n a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i m ( 6 0 6 7 4 0 9 5 ，5 0 5 7 5 0 9 9 ) 江苏大学硕士学往论文 图表说明 图1 1 磁轴承支承的电机和无轴承电机结构示意图”2 图1 2 无轴承电机相关技术一3 图10 3 无轴承电机离心泵 图10 4 无轴承电机体外血液泵系统” 图2 1 径向力产生示意图 图2 2 洛仑兹力向量图 图2 3 麦克斯韦力向量图 图2 4 转子偏心时气隙图” 图2 5 转子悬浮系统示意图 图2 6 电机材辩分布图” ”5 - l o 1 2 1 7 图2 7 电机网格划分1 8 图2 8 转矩绕组磁力线分布1 8 图2 9 两套绕组磁力线分布1 8 图2 1 0 磁场矢量图1 9 图2 1 l 径向力示意图” 1 9 图2 1 2 悬浮力有限元和公式计算值比较1 9 图3 1 无轴承异步电动机气隙磁场定向控制系统结构框图2 2 图3 2 无轴承异步电动机转子磁场定向控制系统结构框图2 4 图3 3 电机旋转部分仿真模型 图3 4 电机径向力部分仿真模型2 5 图3 5 无轴承异步电机转子磁场定向控制系统仿真图2 6 图3 6 转子磁场定向解耦模块2 6 图3 7 电机旋转部分仿真结果2 7 图3 8 电机悬浮部分仿真结果2 8 图3 9 气隙磁场定向解耦模块2 9 图3 1 0 气隙磁场定向控制仿真结果 图4 1 模型参考自适应速度辨识算法3 4 江苏大学硕士学位论文 图4 2 电压模型磁链观测器 图4 3 电流模型磁链观测器 图4 a 无轴承异步电机无传感器运行控制框图- 图4 5 无速度传感器的矢量控制系统仿真图3 7 图4 6 模型参考自适应的仿真模型m “ 图4 7 转速给定60 0 0 r r a i n 时空载响应波形” 3 7 图4 8 转速给定1 2 0 r r a i n 时空载响应波形3 9 图4 9 转速给定60 0 0 r r a i n ，t = 0 5 s 突加负载1 0 n 。m 仿真波形”4 0 图5 1 无轴承异步电机控制系统硬件功能框图t 4 l 图5 2 逆变器控制框图” 图5 3 电流信号接口电路( 一相) 图5 4 位移接口电路 - 4 2 图5 5 光电隔离电路“ 图5 6 软件开发流程4 5 图5 7 主程序流程图4 7 图5 8i n t l 中断子程序4 7 图5 9t 2 周期中断子程序流程图 图5 1 0 转速、转角计算子程序- 5 0 图5 1 1 转速环调节子程序流程图 图5 1 2 坐标变换子程序流程图5 2 图5 1 3a d 转换子程序流程图5 3 图5 1 4 位移环p i d 控制器5 3 图5 1 5 转矩绕组a 相给定电流及反馈电流波形5 5 图5 1 6 位移传感器测试波形5 5 图5 1 7 悬浮绕组a 相给定电流及反馈电流波形5 5 图5 1 8 加给定径向力命令值时的转子位移波形5 6 表2 1 无轴承异步电机参数1 7 表5 1 时钟资源分配表4 6 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囹。 学位论文作者签名t 缎惨笾导师躲裹影积导师签名：7 0 咆乏司火 签字日期：小r 二年肛月肜日签字日期：沙6 年f j 月1 8 e l 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由本人承担。 学位论文作者签名： 扶悸起 日期：0 ，年眨月日 江苏大学硕士学位论文 1 无轴承电机概述 第一章绪论 1 1 1 无轴承电机的研究背景 随着科技发展和现化化工业生产的需要，对高速、超高速大功率的电力传动 系统的性能要求越来越高，诸如高速机床主轴、涡轮分子泵，高速离心机、压缩 机及飞轮储能等系统中的特殊传动。要实现电机的高速、超高速可靠运行，高速 下转子的支承是需要首先解决的问题。高速电机一般采用气浮、液浮或磁浮轴承， 其中气浮和液浮轴承均需要配备专门的气压、液压系统，造成电机系统结构复杂、 能耗大、效率低。近三十年来发展起来的磁轴承具有无摩擦、无磨损、不需润滑 和密封、高速度、高精度、寿命长等一系列优良品质。如图1 1 ( a ) 所示，因而从 根本上改变了传统的支撑形式，在能源交通、航空航天、机械工业及机器人等高 科技领域具有非常大的潜在应用前景。但由于磁轴承本身结构复杂、成本高、体 积大，占有一定的轴向空间，限制了其临界转速和输出功率，也影响到高速电机 的微型化和广泛使用。 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承转予的径向 磁轴承可以省去。为了实现电机转子在五个自由度上的控制，一般需要两个无轴 承电机单元和一个轴向磁轴承构成。 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。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、生命科学等电气传动领域已 经初步显出了极其重要的科研与应用价值。 江苏大学硕士学位论文 轴向磁轴承径向硅轴承电机径向叠轴承轴向譬轴承无轴承电机 e 轴承电机 型堕 且：u 址【i 【li 址i i 【i 匹田卫盯正盯 = 叫叫山山叫山li _ 。i 而一一i 而一1 窗匾 砷硎m 硎 (a)(b) 图1 1 磁轴承支承的电机和无轴承电机结构示意图 1 1 2 无轴承电机的发展概况 “无轴承电机( b e a r i n g l e s sm o t o r ) ”有两种定义方式：第一种定义是从电气工 程的角度提出，意指“具有自悬浮功能的电机”，第二种定义是从机械工程的角 度提出，意指“具有电机功能的磁轴承”。同时，根据研究者自己不同的理解， “无轴承电机”在国际上有多种表达形式。初步统计，使用“无轴承电机”的研 究者大约占了6 0 左右，使用“电机磁轴承”的研究者大约占3 5 左右，其他 研究者使用的表达形式有。组合电机轴承”、“自轴承电机”、“径向力电机”、“悬 浮旋转电机”等。 “无轴承电机”的思想最仞是由rb o s c h 于二十世纪八十年代末首次开始 使用【1 1 ，意指“具有自悬浮功能的电机”。但早在七十年代，德国学者p k h e r m a n n 就提出了一种由p 极对数和p + l 极对数绕组相结合的双定子绕组结构，使其在 电机中既可以产生旋转力又能产生径向支撑力f 2 3 1 。同时，美国学者em e i n k e 也 提出了一种分离绕组的磁悬浮装置1 4 1 。然而就当时条件而言，由于功率放大器、 高性能的数字信号处理器和磁场定向控制技术不够成熟，使这些方案不可能实 现。 从二十世纪八十年代末到九十年代初，国际上提出了许多关于无轴承电机的 重要思想。其中普遍的思想就是将磁场定向控制技术应用到无轴承电机的控制中 【5 一，将数字信号处理器和矢量控制技术相结合来控制电机的转矩绕组和悬浮控 制绕组的电流。图1 2 为与无轴承电机相关的技术基础。近几十年来，随着数字 信号处理器、大规模集成电路等的飞速发展，使得交流电机矢量控制技术得以实 际应用，这样解决了无轴承电机复杂数字控制的难题。同时，磁轴承和磁悬浮列 车的悬浮技术的不断成熟也推动了无轴承电机技术的发展。 2 江苏夫学硕士擘住论文 。网l r 1 技术i l _ - _ _ _ _ j 图1 2 无轴承电机相关技术 瑞士苏黎世联邦工学院( e l l - 1 ) 的j b i c h s e l 在功率开关器件、数字信号处理器 和矢量控制技术等这些科技进步的基础上，于二十世纪八十年代末首次实现同步 电机的无轴承技术i r l 。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 s l 。1 9 9 2 年，日本茨城大学的y o k a d a 首次实现永磁电机的无 轴承技术1 9 。1 9 9 3 年，瑞士苏黎世联邦工学院的1 ls c h o e b 首次实现交流电机的无 轴承技术。无轴承电机取得实际应用，关键性突破是1 9 9 8 年瑞士苏黎世联邦工学 院的n b a d e t 闭开制出无轴承永磁同步薄片电机【埘，电机结构简单，大大降低了 控制系统费用，在很多领域具有很大应用价值。2 0 0 0 年，瑞士苏黎世联邦工学院 的s s l i b e r 研制出无轴承单相电机1 1 1 1 ，再一次在无轴承电机研究历史上前进了一 步，降低了控制系统的费用，使得无轴承电机应用不仅仅是可想的，而且是经济 的。 根据目前发表文献来看，各种传统的电机都可以实现无轴承技术1 1 2 1 ，但由于 传统电机固有优缺点，导致其无轴承电机同样不可避免存在相应优缺点。目前国 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。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。 目前瑞士、日本和美国等国家都大力支持开展这项研究工作。如瑞士的 s e h o e b 、n b a r l e t t a 和p a s c a l n b o e s e h 等人对无轴承感应电机和无轴承片状电机 进行了研究1 6 , 1 3 1 ；日本的a c l d b a 、c m i c h i o k a 和s m o i l 等人对无轴承同步磁 阻电机进行了研究，实现无负载转矩条件下运行转速达l2 0 0 0 r r a i n ，转速在80 0 0 r m i n 情况下，输出功率为2 1 2 k w 1 2 , 1 4 1 ；日本的m o o s h i m a 、a c h i b a 、t o h i s h i 等人对无轴承永磁同步电机进行了研究，到目前的最新研究成果是完成了对功率 皿型 江苏大学硕士学位论文 4 k w ，转速1 10 0 0r n f i n 的表面凸装式无轴承永磁同步电机实验样机的研制，该 样机为四自由度，仅能连接轴向共线负载，并没有真正意义上的应用价值【1 5 , 1 6 ： 美国的l y n d o ns s t e p h e n 等人研究了无槽洛仑兹力无轴承电机【1 7 , 1 s l ，由于这种 电机径向悬浮力较小，仅适用于航天航空领域特殊的电气传动。 国内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 实际运行的例子。自二十世纪九十年代后期，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 匡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【1 嘣啦! 】；南京航空航天大学对无轴承电机 磁场定向控制非线性解耦控制等方面进行了研究圈；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，进行了无轴承永磁电机运行控制研究，并已开 始探索无轴承永磁电机的无速度传感器运行口啦5 2 z 。 1 1 3 无轴承电机的工业应用 无轴承电机的悬浮机理和简单的结构特点使得无轴承电机在一些生、化、医、 机电等领域也逐渐展示其独有的使用价值。 ( 1 ) 电子工业 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苛刻的要求：既不能用润滑油，也不能产生尘粒和气体。 因此采用无轴承电机直接控制机器人及其操纵手臂成为理想的选择。 ( 2 ) 化工领域 在制药、化工、核废料处理等领域的密封传送和生产系统中，为了保证一些 物质的无污染可靠传输，或者避免一些放射性物质被工作人员接触，或对环境造 成污染，广泛采用密封泵。无轴承电机密封泵具有无接触、无润滑和结构简单等 优点，可以有效地解决影响密封泵使用寿命的密封和轴承问题，从而提高密封泵 的使用寿命和可靠性。目前。功率为3 0 0 w 的无轴承电机密封泵已经在半导体工 业得到应用。 ( 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 4 江苏大学硕士擘位论文 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。现在国外研制 成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵。采用无机械接触式磁悬浮结构不仅 效率高，而且可以防止血细胞破损。苏黎世联邦工学院和l e v i u 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左心室辅助装置已经在 临床中应用。 目前，瑞士苏黎世联邦工学院在无轴承电机研究领域处于领先地位，已有部 分成果商品化。图1 3 为无轴承电机离心泵，主要用于一些特殊液体的传送。图 1 4 为无轴承电机体外血液泵系统，该系统由一次性泵头、电机及驱动控制台组 成。 图1 3 无轴承电机离心泵图l4 无轴承电机体外血液泵系统 1 2 无轴承异步电机的研究概况及发展趋势 1 2 1 无轴承异步电机的研究概况 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， 是研究最早、最多的无轴承电机类型。但是无轴承异步电机具有复杂的电磁关系， 是多变量、非线性、强耦合系统，其悬浮力和电磁转矩之间存在着复杂的非线性 耦合关系，要实现转子稳定悬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，主要有 瑞士的i t s c h o e b 6 1 ，日本的a c h i b a e 2 7 “3 0 l 等对无轴承异步电机进行了研究。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。i 乙s c h o e b 对无轴承异步电机提出了一个近似线性化的控制算法来实现电磁转矩和径向力 江苏大学项士学位论文 之间的解耦控制，但该算法构造比较复杂，需要对多个磁链进行直接控制，控制 系统复杂，难以实现转速超过1 00 0 0 r m i n 以上高速运行，并且研究的功率4 k w 四自由度样机本体和控制装篝体积庞大，没有实际使用意义。但实际上。异步电 机的矢量控制只是一种静态解耦控制，单靠磁场定向并不能实现系统的动态解 耦。无轴承异步电机的矢量控制也只能实现转矩系统和径向位置系统之间的静态 解耦，动态解耦控制是对无轴承异步电机的更高要求。此外，铁磁非线性饱和、 大动态及过载下转子参数变化的实际状况都会使磁场定向不准。文献 2 7 3 0 1 日 本学者研究了无轴承异步电机的基本特性，并通过了实验测量，得到了无轴承感 应型电机定予转矩绕组和悬浮控制绕组之间的互感矩阵，从而得到了径向力的解 析公式，对径向力与转矩之间的耦合本质进行了分析，提出如果能对转矩绕组电 流的幅值和相角进行补偿，保持旋转磁场的平稳旋转和幅值恒定，就能实现径向 力与转矩之间的解耦，并依此针对异步电机提出了一个气隙磁场定向控制方法， 同时还对电机的无传感器检测技术做了研究。针对己得出的结果，国内学者对无 轴承异步电机提出了优化气隙磁场定向控制来实现负载条件下径向力与转矩控 制之间的近似解耦t 2 5 , 2 6 1 。上述文献提出的各种控制方法从解耦的角度看，只是实 现了电机的电磁转矩和径向力控制之间的静态解耦，并没有实现两者之间完全的 动态解耦，另外上述控制方法都没有提出有效地针对电机参数变化的控制策略。 无轴承异步电机悬浮控制子系统中，传统做法是通过径向位置闭环来产生悬 浮力控制信号，但由于系统响应时延，会使悬浮力控制信号与实际悬浮力间存在 误差，影响转子悬浮性能。文献 2 3 2 4 通过建立考虑转予定位偏心时悬浮力的 较精确解析表达式，给出了悬浮力的检测方法，将检测到的悬浮力反馈，构成了 悬浮力闭环控制。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，使系统获得更好的悬浮特性。 1 2 2 无轴承异步电机的发展趋势 随着无轴承异步电机研究继续深入，今后无轴承异步电机的发展方向大致集 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及其控制系统设计的前提。目前 使用的数学模型是在对电机模型作了一定假设下展开的。比如忽略了绕组漏感、 6 江苏大学硕士学位论文 磁路饱和、涡流及铁心损耗、两套绕组问的非线性耦合关系等因素。但在实际控 制中，这些因素是存在的，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 无传感器技术的研究 目前无轴承电机普遍采用磁场定向控制方法，实现转速的闭环控制，因此需 检测转子的位置和速度，获得转子的反馈速度和磁场定向所需磁通空间位置。传 统的转子空间位置和速度都是采用机械式传感器来检测，因而有安装、连接、可 靠性等问题。对于无轴承电机而言，使用机械式位置速度传感器有着更大的局 限性，因传感器本身在机械上难以实现高速、超高速，从而会严重限制无轴承电 机固有的优良高速性能的发挥。 无轴承电机的无传感器技术还包括无位置传感器技术，而要实现无轴承电机 转子的悬浮必需实时检测转子位置，而无轴承电机需要的位移传感器数量多，价 格贵。目前对于无位移传感器的研究刚刚起步，日本学者已做了基于自感或互感 变化的无传感器技术研究，但难于保证高精度和强鲁棒性，因此需要进一步的深 入研究，这也是无轴承电机的一大研究方向。 3 悬浮予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，转矩控制子系统和悬浮控制子系 统之间大多存在转矩绕组气隙磁场信息传递，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子系统之阃相互独立控制，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 电机参数、结构研究 根据无轴承电机的特殊结构和工作要求，要对无轴承电机本体进行优化设 计。主要研究电机定转子结构形式、绕组的绕制方式、两套导线匝数的比例问题 等因素对无轴承电机参数、悬浮特性等工作效能的影响。另外，无轴承异步电机 控制系统的设计必须考虑因磁饱和及温度变化等因素对控制系统性能的影响。磁 饱和对无轴承异步电机控制性能的影响主要表现在：电机产生的径向力和悬浮控 制绕组电流之间的线性关系受饱和因素的影响较大；电机的磁饱和还会引起转子 电阻、定转子电感和互感等参数的变化，参数变化必然会导致控制器性能的降低。 7 江苏大学硕士学位论文 1 3 课题研究意义和主要内容 在众多的无轴承电机中，无轴承异步电机具有结构简单，坚固可靠，气隙均 匀，成本低等优点，而且齿槽脉动转矩低、具有宽弱磁范围，是最具前途的无轴 承电机之一。对无轴承异步电机的研究，为减少高速驱动装置体积重量，提高设 备性能具有重要的意义。 我国对无轴承电机的研究起步较晚，对无轴承异步电机的研究水平尚处于实 验室研究阶段，对无轴承异步电机的数学模型、控制策略等的研究还不够完善， 对无速度传感器技术的研究还处于空白，因此对无轴承异步电机进行基本理论与 实验研究无疑为我国无轴承电机悬浮技术理论研究起到了积极的推动作用。本文 以无轴承异步电机作为研究对象，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，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， 研究了基于转矩绕组气隙磁场和转子磁场定向的无轴承异步电机的控制策略。然 后对无轴承异步电机的无速度传感器技术进行了研究，并针对模型参考自适应方 法进行了仿真。最后给出了无轴承异步电机数字控制系统的结构框图，并对软硬 件关键环节的设计进行了详细的叙述。本文具体的研究工作包括以下内容： 第一章首先阐述了无轴承电机的研究背景、在国内外的发展概况、工业应 用，然后介绍了无轴承异步电机的研究概况及发展趋势，对本文选题的主要意义， 论文的内容安排做了概述。 第二章介绍了无轴承电机的工作原理，分析了无轴承电机转予受到的三种 悬浮力的产生原理及数学表达式，建立了无轴承异步电机基本数学模型，推导了 电磁转矩和悬浮力公式，最后用a n s y s 软件对悬浮原理进行了验证。 第三章针对无轴承异步电机的电磁转矩与悬浮力之间存在的强耦合关系， 建立了基于转矩绕组气隙磁场和转子磁场定向控制的无轴承异步电机数学模型 及其控制系统，并进行仿真。根据仿真结果，分析和比较了气隙磁场定向和转子 磁场定向两种控制策略。 第四章根据无轴承异步电机静止坐标系下定转子电压方程和磁链方程，推 导出模型参考自适应方法的基本方程式，对无轴承异步电机的无速度传感器矢量 控制系统进行研究，利用m a l j a b 平台建立了无速度传感器的矢量控制系统，并给 出了仿真实验，对仿真结果进行了分析。 3 江苏大学硕士学位论文 第五章设计了无轴承异步电机数字控制系统的硬件电路，介绍了包括传感 器，接口电路，逆变器等硬件构成。设计了基于转子磁场定向控制的无轴承异步 电机的数字控制系统软件，详细介绍了各功能模块和整体软件的构成，给出了控 制软件流程图。 第六章总结论文所做的工作及取得的研究成果，并且提出需要进一步研究 的工作。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承异步电机基本原理 无轴承异步电机是在普通异步电机的定子槽中加入一套悬浮控制绕组，利用 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 实现转轴的稳定悬浮。为了实现对无轴承异步电机转子的稳定悬浮控制，必须建 立较为精确的无轴承异步电机数学模型。本章阐述了无轴承电机的工作原理，分 析了无轴承异步电机悬浮力产生机理，建立了无轴承异步电机的数学模型，最后 利用电磁场有限元方法分板和验证了无轴承异步电机的悬浮机理。 2 1 无轴承异步电机的工作原理 无轴承异步电机的绕组结构示意图如图2 1 所示。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。其中转矩绕组和悬浮控制绕组每 相串联的有效匝数分别为所，。在转矩绕组和悬浮控制绕组中分别通入电流 厶，五，则分别产生四极磁链场和两极磁链场。工，y 代表互相垂直的转予位置控 制坐标轴。 在空载情况下，如转子需要沿y 正方向的径向力，在径向力控制绕组中通入 如图2 1 所示的电流厶。从图2 1 可得，由于在气隙上侧场和同向，则气隙磁 密增加，在气隙下侧和锈反向，则气隙磁密减少，从而产生沿y 正方向的径 向力r 。在悬浮控制绕组中通入反相电流，可产生沿y 反方向的径向力。同理， 沿x 轴方向的径向力可以通过在悬浮控制绕组中通入与丘垂直的电流获得。无轴 盛密减少 圈2 1 径向力产生示意圉 i o 汪苏大学硕士学住论文 承异步电机的转矩同普通异步电机一样，是基于洛仑兹力产生的。 2 2 无轴承电机悬浮力产生原理口i 2 2 1 洛仑兹力 洛仑兹力是电机旋转磁场对载流导体作用产生的力，作用在转子上产生切向 的力，异步电机的转矩正是基于洛仑兹力产生的。当悬浮控制绕组通电以后，悬 浮控制绕组在转矩绕组产生的磁场中会受到洛仑兹力。设异步电机定子铁心长度 ，定子内径，气隙感应分布率曰( 神和定子圆周的电流分布率彳( 砂，则沿圆周 单位长度的洛仑兹力( 作用于转子上的) 为 弼= 一彳( 咖口( 力，r 劬 ( 2 1 ) 式中讷空间向量角。 将上式沿圆周积分，得到沿x ，y 方向的洛仑兹力为 兄= 一f 。4 ( 纠烈力，c o ( 2 2 c o s f j d f , ) 兄2 一i 4 ( 纠烈力， ( 2 ) 毛= 一e 。( 咖x 曰( 咖z ，s i i l 耐尹 ( 2 3 ) 巧2 一j ：( 咖x 曰( 咖z ，s i i l 妒d 尹 ( 2 3 ) 设电流和磁场均为正弦分布，对( 2 2 ) 、( 2 。3 ) 式积分可锝当见节l 士1 时，洛 仑兹力公式为 见2 p i + 1 ： 吒= 巧c o s ( 2 - , ) ，毛= 巧s i n a 一z ) ( z 4 ) 见2 - p 广l ： 兄- - - f , c o 姒- p ) ，e ，= 巧s m ( 互- p ) ( 2 5 ) 式中肭转矩绕组磁场初始相角； a 为悬浮控制绕组磁场初始相角； 巧：! ! 笔当旦，j ，亩分别为电流密度和气隙感应分布率幅值。 由公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 得到图2 2 的洛仑兹力向量图。 根据电流和磁链的定义及矢量的点乘和叉乘原理，将公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 用d ， q 旋转坐标系下的分量表示 乓= 士局聪：d 署。+ 2 。g ) ( 2 。6 ) 江苏大学硕士学位论文 局= 局( j j 幻影j i | ：一。) ( 2 7 ) 泌 n 少 r 酞 一丘f e 斗墨 卿l - i p z = ，i + l 图2 2 洛仑重力向量图 式中下标“l ”、“2 ”分别对应转矩绕组和悬浮控制绕组； 下标“j ”、“，分别对应定子和转子量： 局= 掣箸，、分别为转矩绕组和悬浮控制绕组每相串联有效匝数； 戳o ，戳。为气隙磁链分量。 咖i j 幻为悬浮控制绕组电流分量。 2 2 2 麦克斯韦力 磁路中在不同磁导率( 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。设铁心和气隙的磁导 率为胁i 、i z o ，交界面上的法向磁感应强度和切向磁场强度是磊、日，由于磁力 线进出铁心时基本垂直于铁心表面，则h m o 。电机中铁心和气隙边界上单位面 积的麦克斯韦力由下式表示 吒= 2 a 8 如, - 鳓a o 一b 2 + 盹胁研) “丢 ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) ，作用在转子外表面面积微元枷= l r d o 上的麦克斯韦力为 织：掣 ( 2 9 ) ， 不考虑齿槽效应和磁饱和。由转矩绕组( 内对极) 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 ( 妒，t ) = 马e o s ( p 矽- 0 6 t 一0 + 马c , o s ( p 2 p o j t t - l , ) ( 2 1 0 ) 将( 2 1 0 ) 式代入( 2 9 ) 。并对( 2 9 ) 式沿圆周积分得到麦克斯韦力为 江苏大擘硕士学住论文 p 2 2 ，i + l e 。= c o s ( 五一) ，= 兀s i n ( 丑一) ( 2 1 1 ) e 。= 瓦c o s ( 互一声) e 。= 一吒s i n ( 2 一声) 其中e ：氅堕 2 p o 由公式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 得到图2 3 的麦克斯韦力向量图 _ ) ， 媳 a , - p 只7 p 氐 一丘1 c v o ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 图2 3 麦凫斯韦力向量图 每相气隙磁链为 一。；氟：呈堕彤，。：如呒：兰兰 ( 2 1 4 ) a见 三相绕组合成气隙磁链的空间向量幅值为 一= 扛，= 扛 忽略悬浮力绕组在转子中产生的感应电流，则 式中厶心为悬浮控制绕组互感； 幻为悬浮控制绕组电流。 将式( 2 1 4 ) ( 2 1 6 ) 代入( 2 1 3 ) 可得 f ：兰垒垒刍墨垫 1 1 8 心，彤 ( 2 z s ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 根据矢量的点乘和叉乘原理，将公式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 用d ，q 旋转坐标系下 的分量表示为 = k ( i l z 一署一+ i f z 。) ( 2 1 8 ) 江苏大学硕士擘住论文 = k ( 幻蜀d 一2 一。) ( 2 1 9 ) 舯耻罱糍 式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 即为引入悬浮控制绕组后，气隙中转矩绕组气隙磁场与悬 浮控制绕组电流所产生的气隙磁场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成正比。只要控制悬浮绕组的电流，就 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，转子不偏 心时，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，该力即为不平衡磁控力。设g o 是定转子中心重合时的平均气 隙长度，( x o , y o ) 为偏心后转子中心坐标，e 是转子偏心位移，如图2 4 所示。 图2 4 转子偏心时气 5 l 【图 则气隙长度g ( 神可表示为神函数 g ( 力= 9 0 一口c o s ( 妒一盯) = 岛【1 一占c o s ( 伊一口) 】 其中f - - - - 旦 g o 设定转子同心时的气隙磁密为 骂( 仍f ) = 宣c 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