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永磁型无轴承电机的基础研究

仇志坚  
【摘要】: 利用电磁轴承与电机结构的相似性,将产生悬浮力的原电磁轴承绕组叠绕于旋转电机定子中,通过电力电子和微机控制使其同时具备驱动与电磁悬浮支撑功能的一种新型磁悬浮电机——无轴承电机的出现,已成为高速电机领域研究的重大突破。无轴承电机不仅继承了磁轴承电机无摩擦、无磨损、无润滑等优点,而且具备轴向空间利用率高、体积小、功耗低的特点,在空间技术、机床、真空技术及超高速电机等领域具有广泛的应用前景。 相对其他类型的无轴承电机,永磁型无轴承电机以其结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高和功率密度大等优势,在飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速微型硬盘驱动装置等领域更具备实用化优势,成为目前实现无轴承电机技术中最具有发展前途的方案之一。 本文以表贴式和交替极式两种永磁型无轴承电机为研究对象,着重于两者数学模型和控制策略的基础研究,主要完成了以下研究工作: 首先对表贴式无轴承永磁电机中磁悬浮力产生机制进行了深入的理论分析和数学建模,特別揭示了转子偏心、洛伦兹力对悬浮力控制以及悬浮控制绕组磁场对转矩控制的耦合影响,进而提出了一种实用的悬浮力及转矩控制方案。实验结果表明考虑转子偏心和洛仑兹力的影响可有效提高无轴承电机悬浮运行时的稳态精度和动态响应速度。 同时,针对表贴式无轴承永磁电机转子磁场定向控制的局限性,研究采用电压-电流模型法辨识出悬浮控制所需的转矩控制绕组气隙磁场的方法,实现了转矩控制绕组和悬浮控制绕组的相互独立控制,为永磁型无轴承电机向实用化方向发展提供了新的途径。 其次对一种新型交替极转子结构的永磁型无轴承电机转矩与悬浮力特性进行了电磁场有限元仿真分析,验证了该无轴承电机所具有的悬浮力与旋转角位置无关,转矩与悬浮控制解耦的固有特性。通过对交替极式和表贴式两种永磁型无轴承电机进行的电磁场分析比较,表明在两者电磁转矩相近的情况下,前者的悬浮力远远大于后者,避免了传统无轴承永磁电机中转矩和悬浮力的折中问题。 随后对新型交替极永磁无轴承电机的磁悬浮机理进行了深入研究,并应用气隙磁导分布理论和分段磁路法推导了交替极式无轴承永磁电机的新的数学模型,构造了交替极无轴承永磁电机的数字控制系统框图。在此基础上设计和实现了基于TMS320F2812单数字信号处理器的软硬件数字控制系统,为实现该类永磁型无轴承电机控制提供了可靠的实验条件,并在实验样机上实现了该新型电机的动静态稳定悬浮,验证了其悬浮与转矩控制解耦的特性。 最后通过借鉴永磁同步电机直接转矩控制理论的思想,首次提出了一种基于空间矢量脉宽调制方法对悬浮力进行直接控制的新型控制策略—直接力控制,通过MATLAB仿真与传统矢量控制系统比较,表明了其优势所在。并在交替极无轴承永磁电机上进行了实验,实验结果验证了该控制策略的正确性和有效性,从而为永磁型无轴承电机的悬浮力控制开辟了新的路径。


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