无轴承永磁薄片电机本体及控制系统的优化设计

论文摘要

无轴承永磁薄片电机是一种可实现五自由度全悬浮的新型电机,它利用无轴承技术实现径向主动悬浮,同时依靠磁阻力实现其它自由度的被动悬浮。该电机除具有其它无轴承电机的无磨损、寿命长等特点外,还有结构简单、密封性好等优点,在生、化、医、机电等超洁净驱动领域具有独特的应用优势。本文针对无轴承永磁薄片电机的转子中心位置无法精确定位的问题,从理论上推导了转子偏心情况下径向悬浮力和电磁转矩的数学模型,为控制系统算法的改进提供了理论依据,基于有限元分析软件ANSYS的2D电磁场仿真结果验证了该模型的正确性。电机本体方面,从传统的表面凸出式永磁体磁势谐波含量较高的局限性出发,优化设计了径向、平行充磁的永磁体形状,优化后的永磁体磁势谐波含量减小,磁密分布更接近正弦波。有限元仿真与实验结果均表明该优化方法的可行性,并可推广到磁势为矩形、梯形等形状的永磁体,对其设计具有借鉴意义。本文还分析了电机轴向长度、转子半径对被动悬浮性能的影响,3D电磁场仿真结果为电机设计和被动悬浮性能的深入研究提供了参考依据。控制系统方面,设计了以TMS320F2812数字信号处理器为核心的软件系统,并对PID调节器、坐标转换程序进行模块化处理,简化了代码程序,节省了存储空间。通过对一台采用优化后的平行充磁永磁体的无轴承永磁薄片电机进行调试和实验,最终实现了该电机的稳定悬浮和旋转。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 无轴承永磁薄片电机的特点及应用
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势
• 1.4 本文的研究意义及研究内容
• 1.4.1 本文的研究意义
• 1.4.2 本文的研究内容
• 第二章 无轴承永磁薄片电机的数学模型及控制策略
• 2.1 引言
• 2.2 无轴承永磁薄片电机的数学模型
• 2.2.1 无轴承永磁薄片电机的结构
• 2.2.2 偏心径向悬浮力的数学模型
• 2.2.3 偏心电磁转矩的数学模型
• 2.2.4 偏心数学模型分析
• 2.3 无轴承永磁薄片电机的控制策略
• 2.4 本章小结
• 第三章 无轴承永磁薄片电机本体设计及有限元仿真
• 3.1 引言
• 3.2 永磁体形状的优化设计
• 3.2.1 传统表面凸出式永磁体的局限性
• 3.2.2 径向充磁的永磁体形状优化设计
• 3.2.3 平行充磁的永磁体形状优化设计
• 3.2.4 两种优化方法的比较
• 3.3 被动悬浮特性的3D 电磁场有限元仿真分析
• 3.3.1 转子轴向移动
• 3.3.2 转子扭转
• 3.4 转子偏心情况的2D 电磁场有限元仿真分析
• 3.4.1 偏心固有磁拉力
• 3.4.2 偏心径向悬浮力
• 3.4.3 偏心电磁转矩
• 3.5 本章小结
• 第四章 无轴承永磁薄片电机全数字控制系统
• 4.1 引言
• 4.2 程序流程
• 4.2.1 主程序
• 4.2.2 中断子程序
• 4.3 PID 调节器的模块化实现
• 4.3.1 PID 调节器模块化
• 4.3.2 各种PID 调节器之间的转换
• 4.4 坐标变换的模块化实现
• 4.5 实验平台介绍
• 4.6 实验结果与分析
• 4.6.1 电流环实验
• 4.6.2 角度测量实验
• 4.6.3 静止悬浮实验
• 4.6.4 旋转实验
• 4.7 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 需要进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文、专利及获奖情况