无轴承永磁同步电机的电磁设计和控制策略仿真研究

论文摘要

无轴承永磁同步电机是一种将产生悬浮力的电磁轴承绕组嵌放进永磁同步电机的电枢铁心中,使电机转子具有自悬浮支撑能力的新型电机。它既有永磁同步电机大功率、长寿命、高效率和体积小等优势;而且由于减少了机械轴承拓展了高速电机在微型化、大功率范围的应用领域;其独具的悬浮机理和结构特点使之在一些高新技术领域具有传统电动机无法实现和替代的技术和经济优势,具有良好的应用前景。本文重点对无轴承永磁同步电机的数学模型的建立和电磁设计的开展了研究,并提出了一套可行的控制策略,具体完成的研究工作如下:首先,在研究无轴承永磁同步电机工作原理和径向力产生机理的基础上,推导出电机径向悬浮力的解析模型。并利用工程电磁场有限元方法分析了悬浮力的各种影响因素及其影响规律,对该悬浮力模型进行验证和修正,得到了比较精确的悬浮力解析模型。其次,在有限元分析以及悬浮力模型的基础上,研究了悬浮力与永磁体厚度、气隙长度等关键电磁参数的关系。提出一套的设计思路,可将悬浮力和转矩有效的结合起来完成电磁设计,其正确性通过了有限元计算的验证。最后,在建立电磁转矩和悬浮力解析模型的基础上,针对电磁转矩和可控悬浮力的特点,提出了i1 d=0的转子磁场定向的转矩控制策略和转子偏心位移直接控制的悬浮力控制策略。并运用Matlab/Simulink构建出仿真系统,进行运行仿真分析,仿真试验结果表明该控制策略实现了对转子径向位移的直接控制。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 无轴承电机的研究背景
• 1.2 国内外现状综述
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 2 无轴承永磁同步电机的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 无轴承永磁同步电机的工作原理
• 2.3 无轴承永磁同步电机的悬浮力模型
• 2.3.1 悬浮力模型的推导
• 2.3.2 悬浮力模型的简化
• 2.4 本章小结
• 3 无轴承永磁同步电机悬浮力的有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 无轴承永磁同步电机悬浮力模型参数计算
• f 的计算'>3.2.1 永磁体等效励磁电流 i_f的计算
• 3.2.2 磁密修正系数的计算
• 3.3 单边磁拉力的有限元计算
• 3.4 悬浮绕组电流对悬浮力的影响
• 3.4.1 转子未偏心时悬浮绕组对悬浮力的影响
• 3.4.2 转子偏心时悬浮绕组对悬浮力的影响
• 3.5 转矩绕组电流对悬浮力的影响
• 3.6 本章小结
• 4 无轴承永磁同步电机的电磁设计
• 4.1 引言
• 4.2 无轴承永磁同步电机悬浮力与电磁参数关系的分析
• 4.2.1 悬浮力与电磁参数的关系
• 4.2.2 气隙磁密与电磁参数的关系
• 4.2.3 有限元仿真验证
• 4.3 无轴承永磁同步电机的传统电磁设计
• 4.3.1 永磁转子的结构设计
• 4.3.2 无轴承永磁同步电机转矩绕组的设计
• 4.4 无轴承永磁同步电机的悬浮绕组设计
• 4.4.1 悬浮绕组电磁设计模型分析
• 4.4.2 有限元计算验证
• 4.5 本章小结
• 5 无轴承永磁同步电机控制策略研究
• 5.1 引言
• 5.2 无轴承永磁同步电机的完整数学模型
• 5.2.1 坐标系与坐标变换
• 5.2.2 无轴承永磁同步电机的完整数学模型
• 5.3 无轴承永磁同步电机的Simulink 模型
• 5.4 无轴承永磁同步电机的控制策略
• 5.4.1 无轴承永磁同步电机的转矩控制策略
• 5.4.2 无轴承永磁同步电机的悬浮力控制策略
• 5.5 无轴承永磁同步电机的控制系统仿真
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文的主要研究工作
• 6.2 后续工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录