交替极无轴承永磁电机的关键技术研究

论文摘要

交替极无轴承永磁电机结合了磁轴承与无轴承电机的优点,其悬浮控制不再需要事先获得转子的旋转位置角,从而能有效地减小传统无轴承永磁电机转矩与悬浮性能之间的耦合效应,并且它克服了普通无轴承永磁电机在转矩输出和悬浮力之间的折中问题,在航空航天、国防、工农业生产和日常生活领域都具有广泛的应用前景。本文对交替极无轴承永磁电机的悬浮原理和数学模型进行了深入分析。在此基础上利用仿真软件Ansoft建立了一种24槽定子结构的电机二维有限元模型,对电机内的磁场分布情况进行仿真分析,对电机的悬浮原理进行验证。文中进一步分析了电机的转矩和悬浮力特性,仿真结果指出该种电机具有转矩和悬浮力分别正比于转矩和悬浮电流,悬浮力与旋转角位置无关以及转矩与悬浮控制相解耦等特性。从减小转矩脉动的角度出发,又建立一种定子为21槽且采用分数槽和斜槽结构的交替极无轴承永磁电机仿真模型,并对其转矩和悬浮力特性进行了分析。然后将该种无轴承电机与传统表贴式无轴承永磁同步电机进行了比较研究,结果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表贴式无轴承电机,避免了传统无轴承永磁电机中转矩和悬浮力的折中问题。在理论分析和有限元仿真的基础上对交替极无轴承永磁电机进行了实验研究。构建无轴承电机的负载实验平台,制作和调试基于TMS320F2812单DSP的数字控制硬件系统,完成用于实现交替极无轴承永磁电机转矩控制和悬浮控制的整套软件系统的程序编写,并对电机进行实验调试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无轴承电机的研究背景
• 1.2 交替极无轴承永磁电机的研究背景和意义
• 1.3 本文的主要内容和工作
• 第二章 交替极无轴承永磁电机的工作原理与数学模型
• 2.1 交替极无轴承永磁电机的基本原理
• 2.1.1 交替极无轴承永磁电机的结构
• 2.1.2 悬浮机理
• 2.2 交替极无轴承永磁电机的数学模型
• 2.2.1 交替极无轴承永磁电机的转矩数学模型
• 2.2.2 交替极无轴承永磁电机的悬浮数学模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 交替极无轴承永磁电机的有限元仿真分析与比较
• 3.1 交替极无轴承永磁电机有限元模型
• 3.2 交替极无轴承永磁电机有限元分析
• 3.2.1 转矩电流作用下的磁场分布特性
• 3.2.2 悬浮电流作用下的磁场分布特性
• 3.3 交替极无轴承永磁电机的转矩和悬浮力特性
• 3.3.1 交替极无轴承永磁电机的转矩特性
• 3.3.2 交替极无轴承永磁电机的悬浮特性
• 3.4 转子偏心对转矩和悬浮特性的影响
• 3.4.1 转子偏心对径向悬浮力的影响
• 3.4.2 转子偏心对转矩的影响
• 3.5 21 槽交替极无轴承永磁电机的特性分析
• 3.5.1 21 槽交替极无轴承永磁电机的转矩特性
• 3.5.2 21 槽交替极无轴承永磁电机的悬浮特性
• 3.5.3 21 槽交替极无轴承永磁电机的转子偏心对转矩和悬浮力的影响
• 3.6 与传统表贴式无轴承永磁同步电机的比较
• 3.7 小结
• 第四章 交替极无轴承永磁电机系统实验分析
• 4.1 实验样机
• 4.2 转速部分实验
• 4.2.1 转矩绕组电流环调节实验
• 4.2.2 转速环实验
• 4.3 悬浮部分实验
• 4.3.1 悬浮绕组电流环调节实验
• 4.3.2 位移环实验
• 4.3.3 悬浮实验
• 4.4 小结
• 第五章 交替极无轴承永磁电机系统实验平台
• 5.1 加载设备
• 5.1.1 电涡流加载器
• 5.1.2 电涡流加载器选型
• 5.2 转矩转速测试仪
• 5.2.1 转矩的测量
• 5.2.2 转速的测量
• 5.3 支承架以及联轴器
• 5.4 硬件系统
• 5.4.1 功率变换电路
• 5.4.2 数字控制电路
• 5.5 软件系统
• 5.5.1 主程序
• 5.5.2 中断子程序
• 5.6 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文主要工作
• 6.2 需进一步做的研究
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文及获奖情况