无轴承永磁同步电机电磁设计与控制策略研究

论文摘要

无轴承永磁同步电机是将磁轴承技术与永磁同步电机有机结合的新型电机。它既有永磁同步电机功率大、寿命长、效率高和积小体等优势,又有避免了机械轴承的磨损和温升问题,拓展了永磁同步电机在高速和超高速领域的应用空间,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。本文以面贴式无轴承永磁同步电机为重点,对无轴承永磁同步电机悬浮力模型、影响稳定悬浮的因素、电磁设计的特殊性、电机控制策略和转子偏心位移控制等问题进行了较深入研究。系统地论述了无轴承永磁同步电机的研究意义、国内外的研究现状和发展趋势。针对面贴式无轴承永磁同步电机的特点,深入分析了无轴承永磁同步电机的悬浮机理和运行特点,从麦克斯韦力原理和虚位移原理不同角度,综合考虑了永磁体、转矩绕组、悬浮绕组磁场和转子偏心等因素,分析和建立了面贴式无轴承永磁同步电机的悬浮力数学模型和电机的完整数学模型。借助Ansoft软件,利用有限元分析方法,对所建立的悬浮力数学模型进行了验证,并首次系统地从定子绕组电流、转子偏心、磁路饱和、齿槽效应和洛仑兹力等方面较深入地分析了对悬浮力的影响,研究了相关规律。针对无轴承永磁同步电机电磁设计中存在的特殊问题和设计特点开展研究,通过对无轴承永磁同步电机退磁问题,悬浮力与永磁体厚度、气隙长度的关系研究分析,推导出了考虑退磁效应的最大转矩电流和悬浮电流表达式,创新性的提出通过建立反映永磁体厚度、气隙长度、悬浮力间关系的规律函数来优化电机转子设计,有限元分析验证了其正确性。首次从系统角度分析总结了面贴式无轴承永磁同步电动机的设计特点,完成了研究项目样机的电磁设计。针对无轴承永磁同步电机的特点,利用永磁同步电机控制策略,通过对无轴承永磁同步电机转矩和悬浮力解耦控制可能的策略分析,改进了基于完整数学模型的转子磁场定向控制策略,仿真结果表明,该策略在无轴承永磁同步电机仿真研究中具有较好预测实际系统性能的功能。针对无轴承永磁同步电机转子偏心位移控制问题,在无轴承永磁同步电机悬浮力控制策略中引入了模糊PID控制策略和提出了基于可控悬浮力模型的、转子磁场定向的转子偏心位移直接控制新方法,仿真表明:该两种控制策略构成的悬浮力控制系统实现了更有效的无轴承永磁同步电机悬浮力控制性能。本论文所研究的面贴式无轴承永磁同步电机问题,是相关研究未提及或提及而未深入研究的问题,因此,其研究具有一定的理论和实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 无轴承电机研究与应用
• 1.1.1 无轴承电机概述
• 1.1.2 无轴承电机研究
• 1.1.3 无轴承电机的应用
• 1.2 无轴承永磁同步电机国内外研究综述
• 1.2.1 结构方面的研究
• 1.2.2 数学模型与参数设计研究
• 1.2.3 悬浮力模型与控制策略研究
• 1.2.4 转子状态检测研究
• 1.3 本文研究内容
• 2 无轴承永磁同步电机的基本理论与数学模型
• 2.1 永磁同步电机的基本理论与数学模型
• 2.2 无轴承永磁同步电机的基本原理
• 2.2.1 电机中的电磁力
• 2.2.2 基本运行原理
• 2.3 无轴承永磁同步电机悬浮力数学模型
• 2.3.1 气隙磁场
• 2.3.2 悬浮力数学模型
• 2.3.3 悬浮力模型的有限元验证
• 2.4 无轴承永磁同步电机数学模型
• 2.4.1 传统数学模型
• 2.4.2 电磁转矩数学模型
• 2.4.3 无轴承永磁同步电机的完整数学模型
• 2.5 本章小结
• 3 无轴承永磁同步电机悬浮力研究
• 3.1 有限元法的基本思想
• 3.2 永磁体等效励磁电流与单边磁拉力
• 3.2.1 永磁体等效励磁电流的计算
• 3.2.2 单边磁拉力的计算
• 3.3 悬浮力与定子绕组电流
• 3.3.1 悬浮绕组电流对悬浮力的影响
• 3.3.2 转矩绕组电流对悬浮力的影响
• 3.4 磁路饱和对悬浮力的影响
• 3.4.1 磁路饱和的有限元分析
• 3.4.2 分析讨论
• 3.5 齿槽对悬浮力的影响
• 3.6 洛仑兹力对悬浮力的影响
• 3.7 本章小结
• 4 无轴承永磁同步电机电磁设计问题的研究
• 4.1 永磁转子的结构
• 4.2 考虑退磁效应时绕组最大电流的确定
• 4.2.1 退磁关键区域的分析
• 4.2.2 退磁关键区域的气隙磁密[68]
• 4.2.3 最大转矩电流和悬浮电流
• 4.3 永磁体参数的优化设计
• 4.3.1 可控悬浮力与永磁体厚度、气隙长度的关系
• 4.3.2 有限元仿真验证
• 4.3.3 永磁体厚度、气隙长度对气隙磁密的影响
• 4.4 面贴式无轴承永磁同步电动机的设计特点
• 4.4.1 设计准则
• 4.4.2 主要尺寸的选择
• 4.4.3 永磁体与气隙的选择
• 4.4.4 转矩绕组设计
• 4.5 悬浮绕组设计
• 4.5.1 悬浮绕组电磁设计模型
• 4.5.2 有限元计算验证
• 4.6 设计实例
• 4.6.1 样机一
• 4.6.2 样机二
• 4.7 本章小结
• 5 无轴承永磁同步电机控制问题的研究
• 5.1 无轴承永磁同步转子磁场定向控制策略
• d= 0 控制）'>5.1.1 永磁同步电机转子磁场定向控制（i_d= 0 控制）
• 5.1.2 无轴承永磁同步电机转子磁场定向控制
• 5.2 基于完整数学模型的转子磁场定向控制策略与仿真
• 5.2.1 电机的状态方程
• 5.2.2 控制系统设计与仿真研究
• 5.3 基于模糊PID 的转子偏心位移控制策略
• 5.3.1 模糊PID 算法的基本原理
• 5.3.2 基于模糊PID 的无轴承永磁同步电机控制系统设计
• 5.3.3 基于模糊PID 的转子偏心位移控制策略仿真研究
• 5.4 转子磁场定向的转子偏心位移直接控制策略
• 5.4.1 转子偏心位移直接控制原理
• 5.4.2 控制器的设计
• 5.4.3 控制系统仿真与结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录