薄片型永磁无轴承电机的设计与控制

论文摘要

在无轴承电机的研究领域内,薄片型永磁无轴承电机继承了无轴承电机既可产生驱动负载的电磁转矩、又具有自悬浮能力的基本特性,同时利用其薄片形状结构特点来自行实现5自由度悬浮,从而减小了电机体积,降低了制造及运行控制成本,是目前最具实用前景的一类无轴承电机。本文以薄片型永磁无轴承电机作为论文选题,对其基本原理、悬浮系统设计与控制技术进行了深入研究,具有理论意义和工程实用价值。论文的主要工作包括以下几方面:一、从无轴承电机转子所受到的径向力产生机理出发,分析了无轴承电机气隙磁场的构成,重新定义了无轴承电机气隙磁场的空间谐波的概念、基于场路结合的麦克斯韦张量法分析并推导了考虑谐波作用的完整径向力解析表达式。通过二维电磁场有限元分析验证了其准确性,并对误差进行了讨论。该模型从基础理论层面上对永磁型无轴承电机的设计提供了有价值的指导。二、给出了一套薄片型永磁无轴承电机本体的设计方案,并对与悬浮系统相关的永磁转子结构、悬浮绕组的参数设计进行了优化,改善了转子所受径向力与悬浮绕组电流及相关参数间的非线性关系,使电机的悬浮控制性能得到改善,并通过2D与3D有限元分析的方法对设计方案的主动与被动悬浮性能进行了验证。三、针对薄片型永磁无轴承电机的特点,提出了转矩系统磁场定向控制策略,并在此基础上建立了包含转矩系统、悬浮系统以及两者间电磁耦合因素的统一数学模型。针对实际运行中转矩电流与定位偏心而造成的实际悬浮力与参考悬浮力之间的误差,提出了带有悬浮力补偿的径向位移反馈控制策略;再考虑到转子在不同运行状况下的具体要求,设计了改进型的PID控制算法,仿真结果验证了该控制策略在同时受到电磁与机械干扰下的优越性与实用性。四、针对薄片型永磁无轴承电机的实时控制要求,设计了基于TMS320LF2407数字信号处理器的系统控制器,给出了控制程序的主要流程图和主要模块的详细介绍。在样机的实验平台上,实现了静止状态下无轴承电机径向单自由度的稳定悬浮。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 薄片型无轴承电机概述
• 1.1.1 无轴承电机的研究与发展概述
• 1.1.2 薄片型永磁无轴承电机的研究现状与前景
• 1.2 本文研究内容
• 第2章 薄片型无轴承电机的基本理论
• 2.1 薄片型无轴承电机的基本原理
• 2.1.1 电机中的麦克斯韦力与洛伦兹力
• 2.1.2 薄片型无轴承电机的基本原理
• 2.2 无轴承电机的径向力分析
• 2.3 薄片型永磁无轴承电机悬浮力的简化模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 薄片型永磁无轴承电机的本体设计研究
• 3.1 样机机械尺寸与定子设计
• 3.2 转子永磁体的结构优化
• 3.3 悬浮绕组的设计
• 3.4 被动悬浮特性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 薄片型永磁无轴承电机的控制与运行
• 4.1 转矩系统的磁场定向控制
• 4.2 薄片型永磁无轴承电机的统一数学模型
• 4.3 数学模型中关键电磁参数的萃取
• 4.4 悬浮系统的控制策略及其优化
• 4.5 薄片型永磁无轴承电机控制系统仿真研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 薄片型永磁无轴承电机控制系统的实现与实验研究
• 5.1 薄片型永磁无轴承电机控制系统的硬件构成
• 5.2 薄片型永磁无轴承电机控制系统的软件设计
• 5.3 薄片型永磁无轴承电机控制系统的实验研究
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢
• 作者简历