无轴承永磁同步电机参数设计及抑制振动控制研究

摘要

随着科学技术与生产力的迅猛发展，诸如精密数控机床、特种机器人、IC制造装备、低碳新能源、高速飞行器、涡轮分子泵、离心机等装备对高速或超高速电机有着迫切需求。高速电机具有一系列优点，如:(1)电机体积小，原材料少，功率密度高，效率高;(2)可取消传动机构，直接驱动负载，减小了传动损耗，噪音小;(3)转子转动惯量小，动态响应速度快。高速电机在特种传动、高速直驱领域具有广阔的应用前景，正成为国际电气工程领域的研究热点。在高速运行状态下，电机转子对机械轴承振动冲击大，使得轴承发热和磨损严重，大幅度缩短了电机与轴承的使用寿命。磁悬浮轴承能够实现转子无摩擦、无磨损运行，但是由磁悬浮轴承支承的高速电机轴向长度长、临界转速低，由磁悬浮轴承支承的高速电机难以突破转速和功率的限制，同时需采用多个磁轴承单元组成高速电机系统，造成系统结构复杂、体积庞大。而无轴承永磁同步电机结合了永磁同步电机和磁轴承的优点，在产生电磁转矩的同时，还产生使转子悬浮的径向悬浮力，可实现更大功率和更高转速运行，在高速传动领域具有重大的研究和应用价值。
　　 在国家高技术研究发展计划(2007AA04Z213)和国家自然科学基金(60974053)等基金的资助下，为了解决无轴承永磁同步电机应用于高速直接驱动领域的技术难题，以实现无轴承永磁同步电机高速运行为目标，对无轴承永磁同步电机的数学模型、永磁转子机械强度优化设计、转子涡流损耗模型的建立与极对数优化、转子自适应抑制振动控制方法和无轴承永磁同步电机的数字控制系统等关键技术开展研究。主要研究工作及成果如下:
　　 (1)分析了无轴承永磁同步电机中的麦克斯韦力和洛伦兹力，研究了悬浮机理，推导出产生稳定可控任意方向径向悬浮力条件，考虑转子偏心，采用解析法建立了悬浮力与转矩数学模型。
　　 (2)提出了无轴承永磁同步电机瞬态参数化有限元分析方法。建立了无轴承永磁同步电机瞬态有限元分析模型，对定子两套绕组施加频率和相位可调的外部电流源，设定转子旋转速度，验证了无轴承永磁同步电机悬浮机理;计算了两套绕组感应电动势、转矩和径向悬浮力。
　　 (3)提出了永磁转子机械强度优化设计方法。根据材料力学和弹性力学理论，建立了面贴式永磁转子护套过盈配合量与最高运行转速的数学模型;对深埋式永磁转子，提出了计算转子机械强度的等效环法。基于接触有限元法，仿真研究验证了永磁转子机械强度优化设计方法的正确性。
　　 (4)提出了无轴承永磁同步电机的气隙磁场和绕组极对数优化设计方法。建立了永磁转子涡流损耗模型，对永磁体磁化模式开展研究，以降低气隙磁场谐波为目标，对气隙磁场进行优化;研究对比了具有不同定子两套绕组极对数的无轴承永磁同步电机转子涡流损耗。采用耦合电路瞬态有限元验证了优化设计方法。
　　 (5)提出了基于多频率跟踪算法的无轴承永磁同步电机转子自适应抑制振动控制策略。为了提高振动信号频率辨识精度，在分析了转子振动产生机理的基础上，提出了基于多频率跟踪算法的无轴承永磁同步电机自适应抑制振动控制策略;建立了转子振动频率的多频率跟踪算法，并分析其稳定性。构建了基于转子振动频率在线辨识与磁场定向控制的无轴承永磁同步电机自适应抑制振动控制系统，并进行仿真实验研究。
　　 (6)采用空间电压矢量脉宽调制技术实现无轴承永磁同步电机转子磁场定向控制策略，构建了无轴承永磁同步电机数字控制系统，研制了系统硬件电路，开发了相关软件程序，并进行实验研究，实现了无轴承永磁同步电机稳定悬浮。
　　 最后，在总结全文的基础上，提出有需进一步研究的内容和今后工作的重点。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 无轴承电机综述

1．3 研究趋势

1．4 主要研究内容与论文工作安排

第2章 无轴承永磁同步电机数学模型与解耦控制

2．1 引言

2．2 基于无轴承永磁同步电机的高速电机系统结构

2．3 无轴承永磁同步电机悬浮机理

2．3．1 麦克斯韦力与洛伦兹力

2．3．2 无轴承永磁同步电机悬浮机理

2．3．3 产生单一方向可控悬浮力条件

2．3．4 产生任意方向的悬浮力条件

2．4 无轴承永磁同步电机数学模型

2．4．1 永磁同步电机数学模型

2．4．2 无轴承永磁同步电机径向悬浮力数学模型

2．4．3 无轴承永磁同步电机电磁转矩数学模型

2．5 有限元验证

2．5．1 绕组分布

2．5．2 静态分析

2．5．3 瞬态分析

2．6 无轴承永磁同步电机转子磁场定向控制

2．7 本章小结

第3章 高速永磁转子设计与强度分析

3．1 引言

3．2 永磁转子设计

3．2．1 转子直径和长度的选取

3．2．2 永磁材料的选取

3．2．3 极数选择

3．2．4 永磁转于护套设计

3．3 表贴式永磁转子强度计算

3．4 深埋式永磁转子强度计算

3．5 本章小结

第四章 无轴承永磁同步电机转子涡流损耗分析

4．1 引言

4．2 转子涡流损耗模型

4．3 气隙磁场优化与损耗分析

4．3．1 气隙磁场优化

4．3．2 气隙磁场时空谐波分析

4．3．2 气隙磁场时空谐波损耗计算

4．4 转子损耗的有限元分析

4．4．1 空载转子涡流损耗

4．4．2 无轴承永磁同步电机转子涡流损耗

4．5 本章小结

第五章 无轴承永磁同步电机抑制振动控制

5．1 引言

5．2 转子抑制振动机理

5．2．1 悬浮转子位移闭环控制

5．2．2 悬浮转子振动抑制机理

5．2．3 转子运动方程

5．3 频率辨识

5．3．1 自适应多频率跟踪算法

5．3．2 自适应振动抑制稳定性分析

5．3．3 自适应多频跟踪算法稳定性分析

5．4 仿真试验研究

5．4．1 多频率跟踪算法仿真

5．4．2 无轴承永磁同步电机转于抑制振动控制

5．5 本章小结

第六章 无轴承永磁同步电机数字控制系统与实验研究

6．1 引言

6．2 无轴承永磁同步电机控制系统

6．2．1 无轴承永磁同步电机控制原理

6．2．2 无轴承永磁同步电机控制系统硬件构成

6．2．3 实验样机

6．2．4 TMS320F2812数字信号处理器

6．2．5 功率驱动模块

6．3 无轴承永磁同步电机数字控制软件

6．3．1 SVPWM技术

6．3．2 主程序

6．3．3 悬浮控制子程序

6．3．4 转速控制子程序

6．4 实验研究

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读博士期间完成的论文与专利

攻读博士期间参与的科研项目