论文摘要
无轴承永磁薄片电机利用无轴承技术实现转子的旋转和径向上的主动悬浮,利用磁阻力实现除径向和转子旋转自由度外的另外三个自由度的被动悬浮,具有轴向利用率高,性能优越的特点,在生物化学、医疗、半导体制造等超纯净驱动领域具有良好的应用前景。目前国内外已研究的无轴承永磁薄片电机大多数采用双绕组结构,分别用于控制旋转与悬浮。这种电机结构具有工艺复杂、漏磁较大以及两套绕组并绕可能导致短路等缺点。本文研究了一种单绕组无轴承永磁薄片电机,采用一套绕组同时实现电机转子的旋转和悬浮,在一定程度上弥补了无轴承永磁薄片电机双绕组结构上的缺点。本文以单绕组无轴承永磁薄片电机的原理分析和实现方案设计为主要研究内容。引入了一种电流分量叠加思想,即把单绕组电流看作转矩分量和悬浮分量的叠加,并以三相约束条件推导出了径向悬浮力和转矩的数学模型及其控制策略;单绕组结构不存在各相电流和为零的限制,因此本文将各绕组电流作为自由变量建立了具有普遍意义的单绕组无轴承永磁薄片电机悬浮力和转矩一般模型,并在该模型基础上以绕组功率最优的约束条件为例推导出相应的绕组电流模型及其控制策略;通过对径向悬浮力和转矩一般模型的研究,提出了电机在电流缺相的情况下的容错运行的可能性,分析了电机在任意一个绕组失效下的容错模型,并给出了相应的控制策略。文中对以上三种数学模型均进行了有限元分析验证。根据单绕组的结构特点,本文采用了一种新型的基于H桥的功率系统设计方案,并结合数字控制系统(DSP)的软硬件设计,研制了第一台单绕组无轴承永磁薄片电机的原理样机;通过单绕组无轴承永磁薄片电机的动态悬浮实验对本文所研究的控制策略进行了验证,成功实现了电机的五自由度全悬浮运行以及一个绕组失效情况下的容错悬浮运行。