（电力电子与电力传动专业论文）无轴承永磁同步电机基础理论研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r et w os e r i e so fw i n d i n g si nt h es t a t o ro fp e r m a n e n tm a g n e t t y p eb e a r i n g l e s s m o t o r s o n ei sc o n v e n t i o n a lm o t o rs t a t o rw i n d i n g s t h eo t h e ri sa d d i t i o n a lr a d i a lf o r c e w i n d i n g sw h i c hi su s e di nt h em a g n e tb e a r i n g s t h em o t o rh a st h er a d i a ls u s p e n s i o na n d c a na l s ow o r ka sac o n v e n t i o n a lm o t o ra tt h es a m et i m eu s i n gf i e l d o r i e n t e dc o n t r o l s t r a t e g i e s t h em o t o rh a st h es a m ea d v a n t a g e sa sm a g n e t i cb e a r i n g s ，s u c ha sn of r i c t i o n ， n ow e a ra b r a s i o n ，n ol u b r i c a t i o na n ds oo n i ta l s oh a st h em e r i t so fc o m p a c t c o n f i g u r a t i o n ，s m a l lv o l u m e ，a n dh i g he f f i c i e n c y s oi th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d y p e r m a n e n tm a g n e t - t y p eb e a r i n g l e s sm o t o r st oi m p r o v et h ee c o n o m ys t r e n g t ho fo u r c o u n t r y t h es t u d yw i l la l s oc h a n g eo u ri d e a si nd e s i g n i n gt h et r a d i t i o n a lm o t o ra n dw i l l b e a p p l i e di nb i o s c i e n c e ，c h e m i c a lm a t e r i a l st r a n s m i s s i o n ，a s t r o n a u t i c s ，r o b o t s ，a n d e l e c t r i cd r i v e si ns o m ep a r t i c u l a ra r e aa n dh i g h t e c ha r e a i nt h i sp a p e r , t h e r ea r ef o u rp o l e sr o t a t i o n a lw i n d i n g sa n dt w op o l e sr a d i a lf o r c e s w i n d i n g si nt h es t a t o ro ft h et e s tm o t o r f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fr a d i a lf o r c ei se x p o u n d e d a n dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ep e r m a n e n tm a g n e t t y p eb e a r i n g l e s sm o t o ri sd e d u c e d t h er e l a t i o n s h i po ft h er a d i a lf o r c ea n dt h ev o l t a g ea n dc u r r e n to ft h er a d i a lf o r c e w i n d i n g si sf o u n do u t v e c t o rc o n t r o ls y s t e mo ft h ep e r m a n e n tm a g n e t - t y p eb e a r i n g l e s s m o t o rb a s e do nc r p w mc o n v e r t e ri ss i m u l a t e db yu s i n gm a t l a ba n dt h er e s u l ti sa l s o g i v e no u t ；s e c o n d l y , t h ec o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r so ft h em o t o ra r ed e s i g n e d t h e n d f e bp e r m a n e n ta n dp r o t r u d i n gs u r f a c et y p er o t o ra r eu s e di nt h em o t o nt h e d i s t r i b u t i n ga n dc o n n e c t i o nc o n f i g u r a t i o no ft h et w os e r i e so fw i n d i n g si nt h es t a t o ri s g i v e no u t f i n a l l y , t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do ft h ep e r m a n e n tm a g n e t - t y p eb e a r i n g l e s s m o t o ri sa n a l y z e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h er e l a t i o n s h i po ft h er a d i a l f o r c e sa n dt h ev o l t a g e ，c u r r e n ti ss i m u l a t e db yc o n s i d e r i n gt h em a g n e t i s ms a t u r a t i o na n d d e m a g n e t i z a t i o n i ft h ea i rg a pi sf i x e do n t h et h i c k n e s so ft h ep e r m a n e n ti sa n a l y z e di n o r d e rt oa c q u i r et h eb i g g e s tr a d i a lf o r c ep e ra m p e r ea n dt h er e s u l t sa r ea p p l i e di nt h et e s t m o t o e k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t t y p eb e a r i n g l e s sm o t o r s ，r a d i a lf o r c e ，m a t h e m a t i c s m o d e l ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 幸s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 2 7 5 0 6 7 ) a n dj i a n g s up r o v i n c e h i g h t e c hf o u n d a t i o n ( b g 2 0 0 10 2 9 ) e t c i i i 江苏大学硕士学位论文 插图目录 图1 1 磁轴承支承的电机结构示意图1 图1 2 无轴承电机的结构示意图 1 图1 3 径向力对转轴的影响2 图1 4 心脏泵简图4 图1 5 气泡发生器4 图1 6 泵头可分离的离心泵4 图1 7 泵头插入式离心泵4 图2 1 洛伦兹力和麦克斯韦力9 图2 2 无轴承电机的结构示意图1 0 图2 3 无轴承薄片电机结构及被动轴承原理1 0 图2 4m a x w e l l 径向悬浮力产生示意图1 l 图2 5l o r e n t z 径向悬浮力产生示意图1 1 图2 6 无轴承永磁同步电机径向力产生原理1 2 图2 7 转子悬浮系统运动方程示意图1 5 图2 8 无轴承永磁同步电机矢量控制控制系统1 8 图2 9 径向力控制部分模型2 0 图2 1 0 电机旋转部分模型2 0 图2 1 lc r p w m 模型2 0 图2 1 2 整体结构图2 l 图2 1 3 仿真结果2 2 图3 1 磁滞回线2 3 图3 2 内禀退磁曲线与退磁曲线的关系2 4 图3 3 表面凸出式转子磁路结构2 7 图3 4 表面插入式转子磁路结构2 7 图3 5 内置径向式转子磁路结构2 7 v i i 江苏大学硕士学位论文 图3 6 内置切向式转子磁路结构2 7 图3 8 爪极式转子磁路结构2 7 图3 7 内置混合式转子磁路结构2 8 图3 8 爪极式转子磁路结构2 8 图3 9 转子磁路的电机端面图2 9 图3 1 0 永磁体部分展开结构图与等效电路图2 9 图3 1 1 气隙磁密与永磁体厚度、气隙之间关系31 图3 1 2c l 与，口之间的关系3 1 图3 13 定转子结构图3 2 图3 1 4 四极旋转绕组的绕组展开图3 3 图3 1 5 两极径向力绕组的绕组展开图3 4 图3 1 6 两极绕组布线图3 4 图3 1 7 四极绕组布线3 4 图4 1 转子磁路的电机端面图4 3 图4 2 铁心材料的磁化曲线4 3 图4 3 无轴承永磁同步电机的横截面示意图4 4 图4 4 无轴承永磁同步电机的离散化结构4 4 图4 5 无轴承永磁同步电机的等势线图4 5 图4 6 无轴承永磁同步电机径向力产生原理4 5 图4 7 只有旋转绕组通电时磁力线分布4 5 图4 8 只有径向力绕组通电时磁力线分布4 6 图4 9 两套绕组同时通电时磁力线分布4 6 图4 1 0 只有旋转绕组通电时的磁矢量图4 6 图4 1 1 只有径向力绕组通电时的磁矢量图4 6 图4 1 2 两套绕组同时通电时的磁矢量图4 7 图4 1 3 厶= 4 5 a ，2 = 0 a 4 7 图4 1 4 厶= 4 5 a ，l = 4 5 a 4 7 v i i i 江苏大学硕士学位论文 图4 1 5 厶= 4 5 a ，1 2 = 9 a 4 7 图4 1 6 厶= 4 5 a ，乞2 1 0 5 a 4 7 图4 。1 7 囊= 4 。5 a ，厶2 王2 。5 a 4 7 图4 1 8 厶= 4 5 a ，厶= 1 6 a 4 7 图4 1 9 径向力与径向力绕组中电流的关系4 8 图4 2 0 永磁体厚度和径向力电流的关系4 9 i x 江苏大学硕士学位论文 b 色 b y & b 耳 h ) 一 h c h d h t e f p c ，e 兄，毛 匕，乃 足，乃 3 ) c ) s i p 主要符号表 气隙磁感应强度 x 方向磁感应强度 y 方向磁感应强度 气隙磁密 法向磁感应强度 剩余磁感应强度 最大磁能积 矫顽力 内禀矫顽力 切向磁场强度 洛仑兹力 永磁体的等效磁动势 x ，y 方向上的径向力 径向力绕组通电产生的力分量 x ，y 方向上的麦克斯韦力 x ，y 方向上的外加径向负荷 转子转动惯量 源电流密度 永磁体等效面电流 永磁体等效电流分量幅值 x 江苏大学硕士学位论文 i q l d 0 l 叩l b p 0 ， j ， 吒 k m l l p 乞 m m f m 伤 心 n o ，nb n l n y r r b 邱 s p 互 电机等效转矩电流分量幅值 转子磁场定向的旋转坐标系d 轴的电流分量 转子磁场定向的旋转坐标系d 轴的电流分量 定子四极等效绕组中的等效电流 径向力绕组中的电流 径向位移刚度 麦克斯韦力常数 转子铁芯的长度 永磁体厚度 气隙长度 转子质量 剩余磁化强度 定子绕组和径向力绕组的互感相对于径向位移的系数 径向力绕组等效匝数 定子绕组等效匝数 定子等效绕组 径向力绕组 定子内圆半径 转子铁芯半径 气隙磁阻 永磁体磁阻 永磁体的面积 微分算子 电磁转矩 x i 江苏大学硕士学位论文 负载转矩 电机定子动态电压方程 转子磁场定向的旋转坐标系d 轴的电压分量 转子磁场定向的旋转坐标系d 轴的电压分量 永磁体磁化方向的磁阻率 永磁体外媒质系数 永磁体内媒质系数 定子绕组上电压的有效值 绕组中储存的磁能 永磁体的宽度 气隙磁链 转子d ，q 轴气隙磁链 定子四极等效绕组产生的磁链 两极径向力绕组产生的磁链 定子绕组四极磁通 径向力绕组产生的两极磁通 求解域 空气的磁导率 相对磁导率 x i i q 吣 y 巧 v v v ， p d 印 x y h 屹 矿帅州岷啦 丸 c ： 鳓 所 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密函， 在多年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 - 1 。 学位论文作者签名：阡悖适 签字同期：) 口。牛年6 月纠开 学位论文作者毕业后去向： 工作拖唧赦火奄 通讯地址： 导师签名：糜暖钬 签字同期：沙b f f 年6 月2 ，j 同 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 刁 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：阿盹 日期：。加v 年6 月日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 11 无轴承永磁同步电机研究现状和发展趋势 1 1 1 研究无轴承永磁同步电机的意义 永磁交流电机自从二十世纪三四十年代在各国开始制造以来，由于其体积小、 重量轻、效率高、功率因数高、结构简单、可靠性高等一系列优点，在工业生产、 民用等方面得到了广泛应用。随着新型永磁材料的出现，现代稀土永磁电机具有向 大功率化、高功能化、高速化和微型化方向发展的趋势。但是，电机离不开轴承支 承，用机械轴承支承，转子运动过程中存在机械摩擦问题。机械摩擦不但增加了转 于的摩擦阻力，使轴承磨损，降低轴承寿命，产生机械振动和噪音，而且会造成部 件发热，使润滑剂性能变差，严重时会造成电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大， 降低电机效率，缩短电机使用寿命。特别是在高速或超高速运行情况下，如果采用 机械轴承来支承高速电机，电机高速运转对机械轴承振动冲击更大，机械轴承磨损 更快，会太幅度缩短轴承和电机的使用寿命，因此，用机械轴承来支承电机，缩短 了电机的使用寿命，限制了电机的使用领域，降低了设备的运行可靠性，制约了电 机向更高速度和更大功率方向发展。直接制约着利用高性能永碰同步电机的转速 高、功率大、寿命长、效率高和体积小，调速控制简单等特点。近二i 。多年发展起 来的磁悬浮轴承，是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之问没有任 幽il 磁轴承支承的电机结构示意图 圉i2 无轴承电机的结构示意圈 何机械接触的一种新型高性能轴承可以用来支承高性能永磁同步电机，如罔i 所示，用磁轴承支承的转子要实现完全的悬浮需要在其5 个自由度上施加控制力， 需2 个径向磁轴承和1 个轴向磁轴承。磁轴承支承的电机系统虽然具有突出的优点 江苏大学硕士学位论文 但仍然存在的磁轴承占据轴向的体积较大，导致电机的轴向长度较长，体积较大， 同时l 恣界转速下降，电机两更高转速发展受限制；磁轴承结构及控制比较复杂、体 积较大和成本较高，大大影响了由磁轴承支承电机的使用范围和广泛应用。为此， 迫切要求研制一种既具备永磁同步电机的优点，又具备磁轴承特点的新型电机 无轴承永磁同步电机。 无轴承永磁阎步电机，不需设计或使用专f j 的机械轴承、气浮或液浮轴承。无 轴承永磁同步电机是根据磁轴承结构与永磁同步电机定子结构的相似性，把磁轴承 中产生径向力的绕组叠装到电机的定子绕组上，保证电机定予绕组产生的磁场极蹲 数p m 与悬浮力绕组产生磁场极对数p b 的关系为：p b = p m - i - 1 。图1 2 是无轴承电机 的结构示意图，一台完整的电机由两个无轴承电机单元和1 个轴向磁轴承构成。两 个2 自由度无轴承电机的结构是完全一样的，电机绕组和径向磁轴承绕组叠压在一 起，径向力绕组产生的磁场和电视定子绕组产生的磁场合成一个整体，通过使用磁 场定向控制来分别实现独立控制电机的旋转和转子的稳定悬浮，实现电机的无轴承 化。 无轴承永磁同步电机相对与传统的磁轴承支承的电机有以下优点： ( 1 ) 在传统磁轴承支承下，轴上施加外力看，会对轴造成弯益，如图1 3 中所示， 而无轴承永磁同步电机中，无轴承永磁同步电机的径向力绕组和电机绕组一起绕在 定子中，径向力均匀作用在轴上，有效降低转轴弯曲幅度，提高主轴刚度，尤其适 合于机床主轴电机。 ( 2 ) 传统的磁轴承需要4 个自由度的位置调节器，而在无轴承永磁同步电机中径 向力绕组只需要一个或二个三相小型逆变 器进行控制，降低了控制系统成本。 轴承 晾 多胁 ( 3 ) 传统磁轴承中的直流励磁电流不再需 要，电机径向力的产生是基于电机旋转磁 场，悬浮力控制系统的功率消耗只有电机功 耗的2 - 5 。电能使用降低。 ( 4 ) 无轴承永磁同步电机的控制系统和标 准的伺服系统相似，不需要再进行独立的开 图1 3 径向力对转轴的影响 江苏大学硕士学位论文 发，降低了价格，并且具有很高的可靠性。 ( 5 ) 由于不要单独设计轴承，无轴承永磁同步电机的轴向长度可以设计得较短， 因而临界转速高些。从某种意义上讲，电机转速只受转子材料强度的限制。因此无 轴承永磁电机将很大程度上拓宽了高速电机的应用领域。 ( 6 ) 气隙可以做得较大，尤其是对永磁同步电机来讲，目前可以做到4 m m 左右， 大大拓展了对电机结构的方面的研究。 1 1 2 无轴承永磁同步电机研究现状 无轴承电机( b e a r i n g l e s sm o t o r ) 这个概念最初是r b o s c h 于1 9 8 8 年首次开始 使用【lj 。无轴承电机是将磁悬浮轴承产生悬浮力的绕组和电机的定子绕组有规律叠 压在电机定子槽里，保证电机既能产生径向悬浮力，又能产生旋转力，实现磁轴承 和电机一体化结构。j b i c h s e l 于1 9 9 0 年首次实现了永磁同步电机的无轴承技术【2 】o 随后，瑞士、日本、德国、奥地利和美国等国家都大力支持开展这项高新技术的研 究。日本的m o o s h i m a 、a c h i b a 、t o h i s h i 等人对无轴承表面叠装式永磁同步电 机进行了研究【3 4 5 1 ，最新研究成果是完成了对功率4 k w ，转速1 l0 0 0 r p m 的表面 凸装式无轴承永磁同步电动机有关性能测试分析，具体包括：考虑电枢反应对转 子位置的影响，提出了转子位置的控制策略，实验验证在高速旋转状态下，转子能 稳定悬浮；测量了负载条件下电机的转矩特性、效率和保持转子稳定悬浮所消耗 的功率等，得到电机的效率为8 6 ，电机功率因数比传统永磁同步电机略小；如要 提高电机功率因数，采用弱磁控制对电机进行调速，可以通过对转子平衡控制来降 低维持转子悬浮消耗的功率。目前，永磁体表面叠装式无轴承永磁同步电机的研究， 以日本m o o s h i m a 为主的课题组研究成果处于世界领先。美国的d a e g o nk i m 等 人也对这种永磁电机进行了基础研列6 1 。另外，日本t o h i s h i 等对永磁体内嵌式 无轴承永磁电机进行了研究【7 】。奥地利的w a m r h e i n 等对无轴承永磁无刷方波电机 的机理进行了研究【引。我国也已重视开展无轴承永磁同步电机的研究和应用，江苏 大学先后得到了国家自然科学基金和江苏省多项基金的支持，开展了无轴承永磁同 步电机的研究和应用工作睁】。另外，江苏大学与瑞士苏黎世联邦工学院共同开展 了对功率为4 k w 的无轴承永磁同步电机研究和应用工作瞳1 ，解决了传感器检测、降 低功率损耗等关键技术问题，4 k w 的无轴承电机预计今年将在化工工业、半导体工 江苏大学硕士学位论文 业等得r j b k 用。 1 1 3 无轴承永磁同步电机应用现状 n 前对无轴承永磁同步电机的研究和应用，瑞l _ 苏黎世联邦工学院( e t i i z ) 和 菜维尼克公叫保持世界领先水平“1 。以jh u g e | 敦授领导的课题组多年来一 直敛j 十”发实1 | 的无轴承电机。根据无轴承电机的工作原理，创造性地研制 【 了 基于无轴承永磁州步电机的人丁心脏泵( b l o o dp u m p ) 、泉头可分离的离心泵 ( s e p a r a t e d d is p o s a b lep u m p ) 、泵头插入式离心采( i n s e r t e dd is p o s a b l ep u m p ) 和无轴承气泡反应床( b e a r l n g l o s sb u b b l eb e dr e a c t o r ) 等取得了良好的经济 效益和社会效益。图l4 是心脏泵的结构简图无轴承永磁同步电机可以通过泵室 对内部的转于施加力的作用，使之成为一个理想的无菌密封系统，该电机可以进行 连续、脉动的一作，可蚍精确的训整和控制速度以及血液的_ _ 盘强和流量，而且，电 机由定子和置丁定予l 端的泵室构成，很方便移动和更换。在生物研究领域，滟 目14 心脏泵简幽 氆。 磊司。 “龋强鼙始 。睽r 6 l 2 j 幽l5 气泡发生器 幽16 泵头可分离的离心泵 图17 泵头插入式离心泵 江苏大学硕士学位论文 反应器的一个主要作用是进行动物细胞的培养，以前一些研究表明：在动物细胞培 植中发现的气泡充气现象，尤其在发泡区域气泡破裂，造成细胞死亡。图1 5 是基 于无轴承永磁同步电机的气泡发生器，配有轴流式叶轮的环型转子被配置在管状反 应器外壳内下气道的周围，定子被配置在外壳周围，转子的转动和径向位移是采用 有源控制，轴向位置和倾斜位置是无源被动控制的。这种气泡床通过产生一种与下 气道出现的气泡相对流动的环流，氧气泡就会聚集在那里，如果流动的速度和气泡 产生的速度相等，就在下方形成了一个气泡床，这样使得氧气和液体接触时间增长， 更多的氧气得到溶解。常规电机的叶轮轴会产生一个不协调的流场，导致气泡的散 逸，而无轴承永磁同步电机可以将叶轮悬浮起来，这是一个密封的系统，提高了氧 气的利用率，而且不会因为驱动而损坏细胞，这种无轴承永磁同步电机的应用在生 物技术方面提供了全新的选择，没有传动密封件、没有磨损、没有污染，由于不需 要转轴，减少了设计的限制，同时对电机的速度和位置可以精密控制，工作寿命长， 可靠性高，并且价格合理。 1 1 4 无轴承永磁同步电机发展趋势 无轴承永磁同步电机，总体发展趋势是向体积小、调速性能好、大功率、高转 速和价格便宜等方面发展，具体如下： 1 稀土永磁材料的应用，如钕铁硼n d f e b ，具有磁能积高和功耗低的特点。我国 稀土蕴藏丰富，开发稀土永磁同步电动机具有较大的优势： 2 高温超导材料的抗磁特性或磁链导恒特性产生巨大的电磁力，可以预见高温 超导材料在磁悬浮控制中将得到广泛应用，如超导磁轴承和无轴承电机用于 大惯量飞轮储能装置，直线电机超导磁场梯度悬浮推进系统； 3 超声波传感技术和激光传感技术在高速磁悬浮运动定位控制中的应用，提高 了定位精度和速度； 4 高速数字信号处理器在无轴承永磁同步电机控制系统中实现数字化控制，为 实现复杂智能控制算法提供了保证； 5 高性能逆变器和智能化非线性电机控制技术的发展和应用： 6 位置( 自检测) 无速度传感器技术、直接力矩控制等技术在无轴承电机中的 应用研究； 江苏大学硕士学位论文 7 无轴承永磁同步电机的进一步推广应用。 2 本课题在我国研究意义 无轴承永磁同步电机具有磁悬浮轴承的所有优点，如无接触、无磨损及无需润 滑等，可以用于真空技术、静室、无菌车间、腐蚀性介质或非常纯净介质的传输等。 目前已经应用的就有无轴承永磁同步电机心脏泵，相对于普通的人工心脏泵来讲有 更大的优势，可以做成一个真正的无菌密封系统，心脏是人生命中的永动机，人工 心脏泵的研制成功不仅减轻了患者的痛苦，而且对人类延续生命具有深远的意义， 在越来越关注生命的2 l 世纪里，这项研究显得更有价值“屯粥。 在高速机床、涡轮分子泵、高速飞轮等设备中需要高速和超高速电机来驱动， 用机械轴承支承时，由转予高速运行带来的摩擦阻力增加，使轴承磨损加剧，造成 电机气隙不均，绕组发热，不仅降低电机工作效率，缩短电机和轴承使用寿命，也 增加了对电机和轴承维护的负担。而无轴承永磁同步电机转速可以做得很高、功率 也可以很大，而且无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精度、长寿命等 一系列优良特性，从根本上改变了传统的支承形式。 永磁交流电机相对于其他电机来讲有体积小、重量轻、效率高、功率因数高、 结构简单、可靠性高等一系列优点，在工业生产、民用等方面得到了广泛应用。另 外，无轴承永磁同步电机与无轴承异步电机和无轴承阉步磁阻电机相比具有一些优 点：由于磁回路中有永久磁体存在，代替了定子电励磁绕组作为励磁源，定予电 励磁绕组激磁电流就不需要( 兹= 0 ) ；相对于无轴承异步电机为补偿相角滞后的 复杂控制回路来说，无轴承永磁同步电机控制回路就要相对简单一些；功率因素 和效率比无轴承同步磁阻电机和无轴承异步电机高。两实际上，目前也只有无轴承 永磁同步电机得到了实际应用，其他的电机尚在实验室研究阶段，因此，选择无轴 承永磁同步电机进行研究具有前瞻性，可以更快速的走向应用，更好的满足国民经 济的需要。 乍为种薪型的电机，无轴承永磁同步电机的发展才经历几年时闻，研究水平 还远远没有达到系统和完善的地步，但是其研究的进程是飞速的，特别是无轴承电 机驱动的密封泵用于生物化工等领域，是传统电气传动无法实现的。随着薪技术和 新材料的应用，相信一定会研制出性能价格比合理的无轴承永磁同步电机，其研究 江苏大学硕士学位论文 成果必将对机械工业、机器人及航空航天等领域产生巨大的影响。为此，在我国迫 切要求开展无轴承永磁同步电视的研究工作，以便在无轴承电机研究的起步阶段， 力争研究水平赶上和超过世界先进水平。 1 3 论文工作及内容安排 1 。3 。_ l 论文工作的提出 本课题得到国家自然科学基金和江苏省多项基金的支持，在国内最早提出了对 无轴承永磁露步电机研究，研究成果要应用予实际，需要做很多基础性的研究和探 索工作。本论文从无轴承电机的基础理论开始着手，研究了无轴承永磁同步电机径 囱力产生基本原理和电机的数学模型，对无轴承电机的控制系统进行设计和仿真， 采用有限元法对无轴承永磁同步电机的磁路进行分析和计算，并且对有关参数进行 分析和优化，为进一步设计结构合理的无轴承永磁同步电机本体、控制系统提供理 论和实验基础。 1 。3 2 论文的内容安排 第一章介绍无轴承永磁同步电机的研究意义，研究和发展现状，无轴承永磁同步 电机的应用情况和发展趋势，以及在我国研究和应用无轴承永磁同步电 机的意义，介绍了本文选题的主要目的，论文内容安排。 。 第二章从数学模型来看，无轴承永磁同步电机是一多变量、强耦合、菲线性的复 杂系统。本章首先分析了无轴承永磁同步电机径向力产生的机理，推导 出了径扁力和径向力绕组电压、电流之间的关系；然后，根据无轴承永 磁同步电动机径向力产生的机理和数学关系，建立电机运行控制的数学 模型。最后，通过对无轴承永磁同步电动机中产生径向力的分析可知， 采用磁场定向的控制方法是实现无轴承永磁同步电机解耦控制的一种有 效方案，并运用m a t l a b 软件对系统进行了仿真。 第三章永磁体的性能对无轴承永磁同步电机稳定运行具有重大影响，因此，永磁 体的选取也成为电机设计与优化中的一个关键问题。本章中首先对不同 材料永磁体的性能进行了比较，确定了钕铁硼永磁材料作为本系统中永 磁材料：接着分析了不同转子磁路结构的特点，选定了表面凸出式的转 江苏大学硕士学位论文 子磁路结构，并做了一些改进；然后从电机的磁路角度，推导了气隙磁 密与永磁体和气隙的关系，进一步分析了单位电流下径向力和不同永磁 体厚度的关系，确定了电机的一些基本参数。 第四章从磁路角度来分析电机内实际的磁场，对无轴承永磁同步电机电磁能量进 行有限元分析和计算，来得到电机内的磁感应强度的分布状况，并且在 考虑磁饱和非线性特性和永磁体去磁的情况下，对电机径向力产生原理 进行验证并分析了径向力随着径向力绕组电流变化情况，最后对永磁体 厚度的选取进行优化，针对设计的电机做了充分的理论上的论证与分析。 第五章总结与展望部分，总结论文所做的工作及取得的研究成果，并且提出需要 进一步研究的工作供参考。 江苏走学硕士学位论文 a 帚h r h 2 章无轴承永磁同步电机 工作原理与控制系统设计 2 1 引言 奉章首先分析了无轴承水磁同步电机径向力产生的机理，并以电机旋转绕组为 2 对极，径向力绕组为i 对极为例，推导了径向力和径向力绕组电压、电流关系： 然后根姑无轴承永磁同步电机径向力产生的机理和数学模型，建立：l 包机运行控制 的数学模型。虽后，通垃对无轴承永磁同步电机中产生的径向力分析，采用磁场定 向的控制方法来实现无轴承永磁h 步电机动态解耦控制，在此基础上发计了无轴承 永磁同步电机的控制系统，t i 二采用m a t l a b 软件对控制系统进行了仿真研究。 2 2 电机中洛伦兹力和麦克斯韦力”i 在电机中存在着两种不同类型的电磁力：洛仑兹力和麦克斯韦力。洛仑兹力是 电机旋转磁场对定子中载流导体作用产生的力，作用在转子上产生切向的力，水磁 参 ( a )( b )( c ) 图21 洛伦兹力和壹克斯韦力 同步电机的转矩就是基于洛伦兹力作用而产生的。图2l ( a ) 以电流和磁链均为正弦 分布的两极电机为例，说明洛伦兹力和转矩产生过程。设电机定子铁心长度为， 定子内圆半径为r ，气隙感应分布率b ( p ) 和定子圆周的电流分布率为一( 妒) ，则沿 圆周单位长度的洛伦兹力( 作用于转于上的) 为： 峨ab ，如 ( 2 ” 将上式沿圆周在一个极距内积分可以得到产生转矩的洛伦兹力f 。 江苏大学硕士学位论文 麦克斯韦力是磁路中不同磁导率介质边界上形成的磁张力。设铁心和气隙磁导 率为他、。，交界面上的法向磁感应强度和切向磁场强度是历、成，由于磁力线 进出铁心时基本垂直于铁心表面，则m 0 ，电机中铁心和气隙边界上单位面积的 麦克斯韦力作用方向垂直于电机转予表面，如果电机中的磁通是对称分布的，其麦 克斯韦合力为零，如图2 1 ( b ) 所示。如果转子偏离了电机轴心，引起电机磁通分 布不均，则麦克斯韦合力就不为零，其作用方向和转子偏心方向一致，这就是磁张 力效应，如图2 1 ( c ) 。转子的偏移量越大，磁张力也越大。 2 3 无轴承电机基本原理 2 3 1 基本结构 无轴承电机不需设计或使用专门的机械轴承、气浮或液浮轴承，是根据磁轴承 结构与电机结构相似性，把磁轴承中产生径向力的绕组安装在电机的定子上，只要 确保电机定予绕组产生的磁场极对数氏与径向力绕组产生磁场极对数p b 的关系为： p 。= p _ 1 ，电机本身就能产生大小和方向可以控制的径向悬浮力和转矩力。图2 2 是无轴承电机的结构示意图，一台完整的无轴承电机由2 个无轴承电机单元和1 个 轴向磁轴承构成。2 个无轴承电机单元的结构是完全一样的，采用磁场定向控制来 实现分别控制电机的旋转和转子稳定悬浮，实现电机的无轴承化。对于功率比较小 的电机，采用图2 2 的结构，显然比较复杂，为此，通过设计转子长度大大小于转 子半径，这样转子的3 个自由度由被动轴承进行控制，其它3 个自由度由无轴承电 机单元主动控制，这就是所说的薄片电机。图2 3 ( a ) 为薄片电机的结构示意图， 当转子从平衡位簧轴向偏移( 图2 3 b ) 或倾斜( 图2 3 c ) 时，则转子受到相反的 电机和弩搀包 电机和径 向啦轴承磁轴承 苘蕊轴最 罟 盟 詈 ( a ) ( b ) 图2 2 无轴承电机的结构示意图 图2 _ 3 无轴承薄片电机结构及被动轴承原理 江苏大学硕士学位论文 被动吸力，使其回到平衡位置。 2 32 径向力悬浮力产生的原理”9 ，2 0 , 2 2 i 传统电机中存在着两种不同类 型的磁力：济伦兹力和麦克斯韦力。 无轴承电机在电机的定子中放八了 两套具有不同极对数的绕组：旋转绕 组( 极对数p m ) 和径向力控制绕组 ( 极对数p b ) 。径向悬浮力控制绕组 的引入，打破了电机原旋转磁场的平 衡，使得电机气隙中一区域中磁场增 强，而对称区域磁场减弱，产生的磁 张应力( 即麦克斯韦力) 将指向磁场 增强的一方。如图2 4 ( a ) 所示的无 径 幽2 5l o r e n t z 径向悬浮力产生示意围 轴承电机( p m = 】，p b - 2 ) 两个磁场的相互调制使得转子左右侧气隙磁感应强度的不 均匀，其结粜产生的麦克斯韦合力( 即径向悬浮力) 指向x 轴的正方向；图2 4 ( b ) 中两个磁场的作用产生了沿y 轴正方向的悬浮力。 图25 是电机绕组的极对数p m = l ，轴承绕组的极对数p b = 2 ，产生沿x 或y 方 向洛伦兹力( l o r e n t z ) 。 当p 。= p - + i ，无轴承电机径向力绕组通电所受的麦克斯韦力和洛伦兹力方向是相 同的，这两个力相加；当阢= p , - i 时，这两个力的方向相反则通电所受合力等于 麦克斯韦力减去洛伦兹力。其表达式为： = k , i d = ( k k ) i d = 女= ( k r ) 式中，凡、凡分别是径向力绕组通电产生的力分量 岛为径向力电流刚度； 虹为洛伦兹力常数： 为麦克斯韦力常数： ( 22 ) ( 23 ) 勰参 江苏大学硕士学位论文 白、岛是转子磁场定向的旋转坐标系中d 轴和q 轴的电流分量。 另外，根据电磁场理论，当电机转子相对于定子偏心时，电机内还存在和偏心 位移成正比的麦克斯韦力，它是一种固有的力，其表达式为： f 。= k s x f 啦= k ；y 其中岛为径向力位移刚度，与电机的构造和结构有关。 根据式( 2 2 ) ( 2 5 ) ，无轴承电机所受径向悬浮力的公式为： 置 = 七。 z + 七。 ； ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 无轴承电机闭环控制系统通过检测转子径向位移，进行负反馈控制，控制转轴 上径向力的大小和方向，实现转轴稳定悬浮。无轴承电机输出的电磁转矩则基于洛 仑兹力产生的，与普通电机没有差异。 2 3 3 无轴承永磁同步电机径向力产生原理1 3 4 ，5 2 3 l 无轴承永磁同步电机的基 本工作原理可以从图2 6 所示的 模型中得到解释，以定子等效绕 组。为例，当每极绕组励磁后， 产生了对称的四极磁通即，其 极性见图2 6 所示它和电枢绕 组机相互作用，产生电磁力矩。 在电机中还附加有两级绕组 札，。，图中直角坐标j 和y 图2 6 无轴承永碰同步电机径向力产生原理 分别指示着肌、。绕组所产生 的磁通势的方向。 如果札、，绕组中没有电流通过，四极磁通口p 是平衡的，磁极l 4 处对应 的气隙磁通是相等的，没有径向悬浮力产生。当m 绕组中通过正向电流后，产生 的两极磁通函。如图2 6 所示，这样一来每极下的气隙磁通就不再相等了，磁极3 的气隙磁通密度减少，而磁极l 的气隙磁通密度增加，不平衡的气隙磁通导致产生 江苏大学硕士学位论艾 的径向悬浮力使转轴向x 的正方向移动：如果m 绕组中通过电流为负值，那么径向 悬浮力的作用将使转轴朝x 的负方向移动。同样的道理，m 绕组中的电流将产生沿 y 方淘的径向悬浮力。因此在基于电机励磁磁通的基础上，逶过控制皿，虬绕缝 中的电流就可以控制径向悬浮力的大小和方向。 2 。3 。4 径向力、电流、电蘧之间的关系3 l 为了方便起见，电机定子绕组和径向力绕组都用两相来进行分析，实际控制时 可以通过2 3 坐标变换即可定子四极等效绕组n a 和n b 中的等效电流讳和砩，k 为电机等效转矩电流分量幅值，i p 是永磁体等效电流分量幅值，i a p 和i b p 的相角相位 差为9 0 。，则定子绕组中电流表达式： 0 一一s i n 2 c o t + i v c o s 2 c o t ( 2 7 ) k2 i q c o s 2 c o t + i t , s i n 2 c o t ( 2 8 ) 式中c o 是转予的角速度 将式( 2 7 ) 和( 2 。8 ) 进行等效变换得： 0 2 i 6 ac o s ( 2 c o t + 8 ) ( 2 9 ) 勃2i , , t , s i n ( 2 c o t + 8 ) ( 2 1 0 ) 黼k ，= 踊，9 = t a n _ l 以。) 高速时，忽略电机定子绕组电阻上的压降，则定子绕组上电压的有效值： 哦2 c o l f l , , o v 位l 王) c ，怼2 c o l j 0 6 v ( 2 1 2 ) 假设电机空载运行，i 。o ，则式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可写成： 搿c o s 2 c o t ( 2 。1 3 ) 勃蒯1 卢s i n 2 c o t ( 2 1 4 ) 定义攀卯、v 坤、誓。、v ，分别是四极定子等效绕组n a 、n b 和二极径向力绕组 n ，、n ，产生的磁链，则磁链与绕组中电流的关系为： 江苏大学硕士学位论文 审攀 中b p 串x 牛v 厶0 0 厶 一m jxm jy m y m x m x m y m 。y m jx 厶0 0 三2 k l 工 ， 0 ( 2 1 5 ) 式中k 、l ：分别是定子四极绕组和两极径向力绕组的自感； 肘定子绕组和径向力绕组的互感相对于径向力位移的导数； 如果忽略电机磁路饱和，则： 膨：, u o z - n 2 n 4 1 掣 ( 2 1 6 ) 8 ( 厶+ 名) 2 、。 式中n ：、n 。分别是等效