无轴承异步电机径向悬浮力研究及无传感技术实现

摘要

随着现代生产装备向高速、高精方向发展，传统的普通电机已无法满足先进生产过程对高速、超高速电机传动系统的性能要求。无轴承电机通过定子槽中两套绕组磁场的相互作用，改变原有的电机气隙磁场分布格局，能同时产生使电机旋转的转矩和使转子悬浮的径向悬浮力。无轴承电机的出现改变了传统电机转子的支撑方式，开创了高速电机的“无轴承”新时代。其中，无轴承异步电机(Bearingless Induction Motor)兼具磁轴承与传统异步电机的全部优点，能在超净、真空、超高速、腐蚀等恶劣环境下实现电机的“无轴承”运行，是当前无轴承传动领域的研究热点之一。本文在国家自然科学基金青年基金项目(61104016)资助下，针对无轴承异步电机径向悬浮力的有限元分析模型和数学模型、无速度传感器运行技术、转子无位置传感器运行技术以及数字控制系统等方面进行了重点研究，具体的研究内容如下:
　　首先，介绍了无轴承异步电机径向悬浮力产生原理，电机本体在Ansoft中的2D、3D结构和绕组绕制形式;在电磁场理论基础上，推导出电机的径向悬浮力数学模型;提出二基波法，在Ansoft中分析研究了径向悬浮力的有限元值随径向悬浮力绕组电流的变化关系，结合径向悬浮力数学模型值，得出了径向悬浮力数学模型值与有限元值近似一致的结论。
　　其次，为解决无轴承异步电机中由于机械式传感器的安装所带来的电机轴向体积和成本增大的问题，提出了基于转矩绕组无功功率模型参考自适应系统(MRAS)的无速度传感器矢量控制和一种改进反电动势法的无位置传感器矢量控制，并在Matlab/Simulink中分别对控制系统进行了建模与仿真，结果表明所提的控制策略能实现无轴承异步电机在无传感器形式下的稳定悬浮运行，并且具有令人满意的动、静态特性和较强的鲁棒性。
　　最后，在TMS320F2812的数字信号处理器基础上，采用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)法搭建了无轴承异步电机数字控制系统试验平台，并进行了悬浮试验研究，分析试验波形可知，该数字控制系统动、静态性能良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 无轴承电机概述

1．1．1 无轴承电机研究背景

1．1．2 无轴承电机发展状况

1．2 无轴承异步电机发展概况

1．2．1 无轴承异步电机研究现状

1．2．2 无轴承异步电机研究方向

1．3 无轴承异步电机的应用前景

1．4 本文研究意义与研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 电机有限元模型及径向悬浮力研究

2．1 有限元概述

2．1．1 有限元的发展概况

2．1．2 Ansoft Maxwell软件简介

2．2 径向悬浮力产生机理与电机有限元模型

2．2．1 产生机理

2．2．2 电机有限元模型

2．3 径向悬浮力的二基波数学模型计算

2．4 径向悬浮力的有限元模型

2．4．1 径向悬浮力机理的有限元验证

2．4．2 径向悬浮力的有限元分析

2．5 有限元值与数学计算值的比较分析

2．6 本章小结

第三章 基于转矩绕组无功功率MRAS的无速度传感器

3．1 无速度传感器研究背景与概况

3．1．1 研究背景

3．1．2 研究概况

3．2 MRAS工作原理

3．3 基于转矩绕组无功功率MRAS的转速辨识模型

3．4 控制系统设计

3．5 仿真与分析

3．6 本章小结

第四章 基于改进反电动势法的无位置传感器

4．1 基于改进反电动势法的径向悬浮力绕组磁链观测

4．2 径向位置自检测

4．3 无径向位置传感器控制系统设计与仿真

4．3．1 控制系统

4．3．2 仿真分析

4．4 本章小结

第五章 无轴承异步电机数字控制系统设计

5．1 无轴承异步电机控制策略

5．2 无轴承异步电机数字控制系统的硬件设计

5．2．1 数字控制系统主要电路设计

5．2．2 硬件实物模型

5．3 无轴承异步电机数字控制系统的软件实现

5．3．1 主程序

5．3．2 中断服务子程序

5．4 悬浮试验结果与分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士研究生期间的学术成果