无轴承薄片电机基础研究

【摘要】： 无轴承薄片电机因其集被动悬浮与主动悬浮功能于一体,在生物、化学、医疗、半导体制造等超纯净领域以及高速驱动领域的应用具有显著的特点。本文以无轴承薄片电机为研究对象,对其数学模型、结构设计、电机控制等方面进行了较为系统深入的研究。 无轴承薄片电机的一大特色在于被动悬浮,而被动悬浮特性直接影响系统的整体性能。文中采用磁路分析结合电磁场有限元验证的方法首次推导了非永磁电机的被动悬浮力表达式,采用有限元方法分析了永磁电机的被动悬浮力特性。在此基础上对无轴承薄片电机的转子动力学特性进行分析,为后续的研究打下了基础。 无轴承薄片电机具有多种结构形式,且各有特点。为比较各类电机结构的性能,文中采用磁路分析方法推导了集中式绕组表贴式无轴承永磁薄片电机的径向力与转矩数学模型,并采用有限元分析进行了验证。在此基础上对集中式绕组表贴式结构、分布式绕组表贴式结构、分布式绕组交替极结构这三种较为典型的无轴承永磁薄片电机进行了对比分析,为无轴承薄片电机的应用选型提供了参考依据。并针对无轴承薄片电机功率难以提升的问题,提出了一种新型的双定子结构电机,电磁场有限元分析表明该结构的电机不仅可大幅提高悬浮力和转矩,而且可以显著减轻转子重量。 集中式绕组表贴式结构的无轴承永磁电机在中小功率领域具有应用优势。在该电机的本体设计方面,提出一种基于有限元分析的永磁体形状逐点优化设计方法,获得了正弦度极高的永磁磁场,保证了径向悬浮力的平稳,为实现电机的稳定运行奠定了基础。在电机控制方面,实现了双绕组结构下的解耦控制,最高转速达到了15000rpm。为实现电机的容错运行,推导了单绕组N齿结构的通用径向力模型,并分别采用叠加控制算法和直接求解法实现了单绕组下的稳定运行。在此基础上首次实现了六齿电机任一齿线圈断路情况下的容错运行。为提高系统的可靠性,提供了一条有效途径。 分布式绕组交替极结构控制简单,且在大功率领域具有优势。本文采用磁路分析结合有限元验证的方法首次对其悬浮力脉动进行了研究,分析了不同极对数下悬浮力产生脉动的原因,并提出了抑制悬浮力脉动的方法。在此基础上,通过合理设计,抑制了悬浮力脉动,成功实现了三对极无轴承交替极薄片电机平稳悬浮,突破了以往电机极对数不低于四的限制,拓宽了交替极无轴承薄片电机的应用领域。 最后本文针对应用于无轴承薄片电机中的电涡流位移传感器成本过高的问题,研究了闭合磁路式和开路式的两种霍尔位移传感器,并进行了磁路分析和实验研究,成功地实现了基于霍尔位移传感器的无轴承薄片电机的平稳悬浮运行,为降低系统的成本提供了一条有效途径。