无轴承永磁同步电机参数优化设计与数字控制

摘要

无轴承电机将磁轴承中产生径向悬浮力的线圈叠压到电机的定子槽中，使其本身就能产生大小可控的径向悬浮力和电磁转矩，实现转子无机械摩擦的旋转，是一种集成电机功能和磁轴承功能的新型电磁机构。无轴承永磁同步电机除了具有永磁同步电机的优点之外，还具有磁轴承的优点，如无摩擦、无磨损、高速度、高精度、寿命长等一系列优点。在生物工程、航空航天、高新能源、半导体制造业、食品加工以及医药卫生等特殊电气传动领域具有潜在的应用前景，因此，对无轴承永磁同步电机的研究引起了广泛的关注。论文主要工作如下： 首先，本文系统地介绍了无轴承永磁同步电机的基本结构和运行原理，推导出了无轴承永磁同步电机的数学模型。采用转子磁场定向矢量控制原理来实现转子的旋转和稳定悬浮的独立控制，实现转矩力和径向悬浮力的解耦控制，给出了解耦控制系统框图。 其次，对无轴承永磁同步电机的本体设计进行了研究，详细分析了永磁型转子结构、转矩绕组、悬浮绕组的参数设计，同时深入研究了永磁体厚度对转矩性能和悬浮性能的影响。在此基础之上，采用有限元分析软件ANSYS对电机转矩和悬浮绕组匝数、最佳悬浮力和最佳输出功率进行了优化设计，并对无轴承永磁同步电机样机进行基本工作原理验证。分析得出，当电机两套绕组同时通电时，无轴承电机中确实产生了能够使转子悬浮的径向力。 最后，根据无轴承永磁同步电机基于转子磁场定向的矢量控制原理和数学模型，设计了无轴承永磁同步电机数字控制系统的构成并简化了数字控制系统。应用TI公司的TMS320LF2407设计了数字控制系统的硬件，开发了数字控制系统软件，对数字控制系统进行调试和优化，给出了相关实验结果，并进行了分析，通过试验验证了控制系统和控制方法的正确性。

目录

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第一章绪论

1.1无轴承电机发展概述

1.1.1磁悬浮技术及磁悬浮轴承

1.1.2无轴承电机的定义

1.1.3无轴承永磁同步电机特点

1.2无轴承永磁同步电机研究现状

1.2.1无轴承电机研究成果

1.2.2无轴承永磁同步电机的电磁结构研究

1.2.3无轴承永磁同步电机的控制策略研究

1.3无轴承永磁同步电机的发展趋势与研究意义

1.3.1无轴承电机的应用前景

1.3.2无轴承永磁同步电机的发展趋势

1.3.3无轴承永磁同步电机的研究意义

1.4论文工作的提出

1.5论文的内容安排

第二章无轴承永磁同步电机基本理论

2.1引言

2.2无轴承永磁同步电机的基本结构

2.3无轴承永磁同步电机的工作原理

2.3.1电机中的电磁力

2.3.2电机中的气隙磁场

2.3.3无轴承永磁同步电机的运行原理

2.4无轴承永磁同步电机的数学模型

2.4.1径向力、电流、电压之间的关系

2.4.2电机旋转部分的数学模型

2.4.3转子悬浮力系统的运动方程

2.5无轴承永磁同步电机解耦控制策略研究

2.5.1转子磁场定向解耦控制

2.5.2仿真结果

2.6本章小结

第三章无轴承永磁同步电机结构参数设计与有限元分析

3.1引言

3.2永磁电机电磁场有限元法

3.2.1有限元法的基本理论

3.2.2无轴承永磁同步电机有限元分析流程

3.3无轴承永磁同步电机本体设计研究

3.3.1电机定转子结构选择

3.3.2电机转矩绕组设计

3.3.3电机悬浮绕组设计

3.4无轴承永磁同步电机优化设计

3.4.1永磁体厚度对转矩性能的影响

3.4.2永磁体厚度对悬浮性能的影响

3.4.3最佳转矩绕组匝数和悬浮绕组匝数

3.4.4最佳悬浮力和最佳输出功率优化设计

3.5基于有限元ANSYS的无轴承永磁同步电机分析

3.5.1无轴承永磁同步电机原理分析验证

3.5.2无轴承永磁同步电机样机分析用户界面没计

3.6本章小结

第四章无轴承永磁同步电机数字控制系统

4.1引言

4.2无轴承永磁同步电机数字控制系统硬件设计

4.2.1数字信号处理器DSP的选择

4.2.2采样周期的选择

4.2.3位移传感器的选择及接口调理电路

4.2.4电流信号调理电路

4.2.5速度传感器及脉冲信号调理电路

4.3无轴承永磁同步电机数字控制系统软件设计

4.3.1集成丌发环境CCS简介

4.3.2主程序构成及程序流程图

4.3.3中断了程序构成及程序流程图

4.3.4转矩绕组和悬浮绕组控制流程图

4.3.5主要功能模块

4.3.6软件通信界面设计

4.4实验调试和结果分析

4.4.1转矩绕组实验结果

4.4.2悬浮绕组实验结果

4.5本章小结

第五章论文工作总结与展望

5.1论文主要研究工作

5.2需进一步研究的工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致 谢