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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。 本学位论文属于 保密晒,在夕年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者龆只孑、锦誓) 导师签名 签字日期:a 硝年月多日 签字日期 学位论文作者毕业后去向: 工作单位:博丝妫牟榷、淘夺玩碰伤雨姒司电话: 通讯地址:弘茄、缃弛褐争 邮编。傅。2 9 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 不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。 学雠文尊者虢弘绛葡 日期加,年( 月日 江苏人学硕十学位论文 摘要 为了解决开关磁阻电机高速运行时的轴承与转子轴之i 日j 的摩擦和磨损问题,提出了 磁悬浮丌关磁阻电机的概念。利用磁轴承与开关磁阻电机定子绕组的相似性,把产生悬 浮力的绕组和产生转矩力的绕组叠压在定子上,以产生使电机转子稳定悬浮和旋转的 力。并通过一定的控制策略,适时调整各绕组中的电流,实现电机的稳定运行。 本文在分析了丌关磁阻电机的结构和原理以及磁悬浮电机的一般可实现形式的基 础上,提出了一套实验用的五自由度磁悬浮开关磁阻电机的机械结构系统。并对电机轴 向和径向稳定悬浮系统的结构和工作原理进行了详细的分析。根据虚位移原理、等效磁 路法等,详细推导了磁悬浮开关磁阻电机在一个电感周期内的考虑转子径向位移影响的 径向悬浮力和转矩力数学模型,并考虑了两相控制绕组电流的耦合以及径向两自由度间 转子位移之f 白j 的交叉耦合对径向两自由度悬浮力的影响。在所建立的磁悬浮开关磁阻电 机数学模型的基础上,应用逆系统方法求解出磁悬浮丌关磁阻电机轴向、径向悬浮系统 的解析状态反馈规律,并与原电机轴向、径向悬浮系统综合成由几个规范化的线性子系 统组成的伪线性系统。从而实现磁悬浮开关磁阻电机轴向悬浮系统的线性化和电机径向 悬浮系统的解耦线性化。最后,对综合成的电机轴向和径向悬浮系统的伪线性系统应用 线性二次型最优控制方法设计电机轴向、径向悬浮控制的闭环控制器。仿真表明所构成 的闭坏控制系统具有良好的动态和静态性能。 关键词:磁悬浮丌关磁阻电机;径向悬浮力;逆系统;数学模型;解耦线性化;最优 控制 , ,t 本课题得到国家自然科学基金的资助 磁悬浮开关磁阻电机模础及解耦控制的研究 a b s t r a c t t h ec o n c e p to fb e a r i n g l e s ss w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( b s r m ) i s p r o p o s e dt os o l v et h e p r o b l e mo fw e a ra n dt e a rb e t w e e nt h eb e a r i n ga n ds h a f to ft h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r w h e ni ti sr u n n i n gi nh i g hs p e e d a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a b i l i t yb e t w e e nt h ew i n d i n g so f m a g n e t i cb e a r i n ga n db e a r i n g l e s ss w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rs t a t o r , t h ew i n d i n g s ,w h i c h c r e a t es u s p e n d i n gf o r c ea n dt o r q u e ,a r el a m i n a t e dt o g e t h e ro nt h em o t o rs t a t o rt oc r e a t et h e s t e a d ys u s p e n d i n gf o r c ea n dt o r q u e a n dt h em o t o rc a nb er e a l i z e ds u s p e n d i n ga n dr o t a t i n g s t e a d i l yb yu s i n gs o m ec o n t r o ls t r a t e g yt oa d j u s tt i m e l yc u r r e n ti nt h em o t o rw i n d i n g s i nt h i sp a p e r , c o n f i g u r a t i o no fa f i v e d e g r e eo ff r e e d o mb e a r i n g l e s ss w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o ri sp r o p o s e da f t e rt h ea n a l y s i sa b o u tt h ef r a m ea n dp r i n c i p l eo fs w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o ra sw e l la ss e v e r a lk i n d so fb e a r i n g l e s sm o t o rc o n f i g u r a t i o n s t h ec o n f i g u r a t i o na n d p r i n c i p l eo ft h es u s p e n d i n gs y s t e m si na x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o n so ft h eb s r ma r ea n a l y z e d i nd e t a i l b a s e do nv i r t u a ld i s p l a c e m e n tp r i n c i p l ea n dm a g n e t i ce q u i v a l e n tc i r c u i tm e t h o d ,t h e m a t h e m a t i cm o d e lo fr a d i a ls u s p e n d i n gf o r c ea n dt o r q u eo ft h eb s r mu n d e rt h ec o n d i t i o no f c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fr o t o rr a d i a ld i s p l a c e m e n tw i t h i nap e r i o do fm o t o ri n d u c t a n c e ,w h i c h c o n s i d e r st h ec o u p l i n go ft h ec u r r e n t si nt w or a d i a ls u s p e n d i n gw i n d i n g sa n dc o u p l i n go fr o t o r r a d i a ld i s p l a c e m e n t si nt w od i r e c t i o n s ,a r ed e r i v e d b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e lo fb s r m t h er e v e r s es y s t e mm e t h o di su s e dt oo b t a i nt h ea n a l y t i cs t a t ef e e d b a c kr e g u l a t i o no ft h e b s r m s u s p e n d i n gs y s t e m si na x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o n s a n dap s e u d ol i n e a rs y s t e mw h i c h c o n s i s t so fs e v e r a ls t a n d a r d i z e dl i n e a rs u b s y s t e m si s s y n t h e t i z e db yc o m b i n i n gt h es t a t e f e e d b a c kr e g u l a t i o nw i t ht h eo r i g i n a la x i a la n dr a d i a ls u s p e n d i n gs y s t e m so ft h eb s r m t h e n t h em o t o ra x i a ls u s p e n d i n gs y s t e mi sl i n e a r i z e da n dt h em o t o rr a d i a ls u s p e n d i n gs y s t e mi s d e c o u p l i n gl i n e a r i z e d i nt h ee n d ,t h ec l o s e dl o o pc o n t r o l l e r sf o rs u s p e n s i o ni na x i a la n dr a d i a l d i r e c t i o n so fs y n t h e t i cp s e u d ol i n e a rs y s t e m so ft h em o t o ra x i a la n dr a d i a ls u s p e n d i n gs y s t e m a r ed e s i g n e du s i n gl i n e a rq u a d r a t i co p t i m a lc o n t r o lm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ec l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mh a sag o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp r o p e r t y k e yw o r d s :b e a r i n g l e s s s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r ;r a d i a ls u s p e n d i n gf o r c e ; m a t h e m a t i cm o d e l ;r e v e r s es y s t e m ;d e c o u p l i n gl i n e a r i z a t i o n ;o p t i m a lc o n t r o l 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 , 产 江苏人学硕十学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 磁悬浮丌关磁阻电机的提出及其在国内外的研究现状1 1 2 磁悬浮开关磁阻电机的特点及应用前景3 1 3 磁悬浮丌关磁阻电机当前的研究热点和难点5 1 4 本课题研究的内容和意义6 第二章磁悬浮开关磁阻电机的基本结构7 2 1 磁轴承支承的电机结构7 2 2 磁悬浮电机可实现的一般形式8 2 3 实验用五自由度磁悬浮开关磁阻电机的结构设计1 2 2 3 1 电机总体结构1 2 2 3 2 主要部分结构一1 3 2 3 3 磁悬浮开关磁阻电机1 3 第三章磁悬浮开关磁阻电机运行原理1 5 3 1 开关磁阻电机的基本理论1 5 3 1 1 丌关磁阻电机的基本结构1 5 3 1 2 开关磁阻电机的工作原理1 6 3 1 3 丌关磁阻电机的数学模型1 6 3 1 4 开关磁阻电机的转矩特性分析1 9 3 2 磁悬浮开关磁阻电机轴向悬浮定位的基本原理2 0 3 2 1 电磁型轴向磁轴承一2 0 3 2 2 混合型轴向磁轴承一2 3 3 2 3 轴向径向磁轴承2 6 3 3 磁悬浮开关磁阻电机径向悬浮定位的原理2 7 3 3 1 径向磁轴承的工作原理2 7 3 3 2 磁悬浮开关磁阻电机径向悬浮力产生的原理2 9 第四章磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力和转矩力的计算3 2 4 1 磁悬浮丌关磁阻电机样机用磁轴承悬浮力计算3 2 磁恳浮开关磁阻电机模型及解耦控制的研究 4 1 1 磁悬浮丌关磁阻电机采用的磁轴承悬浮力计算公式一 4 1 2 磁轴承悬浮力仿真 4 2 磁悬浮丌关磁阻电机悬浮力和转矩力计算 4 2 1 基于虚位移法的磁悬浮丌关磁阻电机悬浮力和转矩力计算基本原理 4 2 2 磁悬浮丌关磁阻电机的悬浮力和转矩力公式 4 2 3 磁悬浮丌关磁阻电机的悬浮力和转矩力仿真 第五章磁悬浮开关磁阻电机解耦控制的研究5 3 5 1 多变量非线性系统的解耦线性化理论5 3 5 1 1 解耦与线性化问题的提出5 3 5 1 2 逆系统方法5 4 5 2 磁悬浮开关磁阻电机轴向磁轴承悬浮系统线性化5 8 5 3 磁悬浮丌关磁阻电机径向磁轴承悬浮系统线性化6 0 5 4 磁悬浮开关磁阻电机的转子径向悬浮系统的解耦线性化6 2 5 5 基于二次型性能指标的磁悬浮丌关磁阻电机悬浮系统最优控制6 7 5 5 1 线性二次型最优控制策略6 7 5 5 2 磁悬浮开关磁阻电机闭环控制系统的设计与仿真6 9 第六章总结与展望7 5 参考文献7 7 致谢8 0 , 产 江苏人学硕十学位论文 第一章绪论 帚一早珀t 匕 现代化工业生产对拖动电机的性能要求越来越高,其中一个显著的特点就是高速和 超高速电机被广泛的运用于工业生产中。然而高速电机中的机械轴承的磨损问题严重制 约着电机向更高转速和大功率的方向发展。相继发展起来的磁轴承支承的电机又由于体 积和成本等因素的限制,大大影响了磁轴承高速电机的使用范围。而磁悬浮电机则是利 用磁轴承和交流电机定子结构的相似性,通过在电机定子绕组上叠加产生径向悬浮力的 绕组来实现电机转子的自悬浮。这已成为了国内外学者研究的热点。其中开关磁阻电机 由于其本身结构的优点,在磁悬浮电机研究领域中越来越受到关注。 1 1 磁悬浮开关磁阻电机的提出及其在国内外的研究现状 l9 7 5 年,英国l e e d s 大学和n o t t i n g h a r l l 大学的联合研究小组成功地研制出第一套 用于电动汽车的丌关磁阻电动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , 简称s r m ) 驱动装置,其 单位输出功率和效率均高于同类的异步电动机驱动装置。这种结构简单、鲁棒性好、价 格便宜的新型开关磁阻电机调速系统( s r d ) 迅速引起了各国电气传动界的广泛重视。 这种新型调速系统的主体开关磁阻电机是采用的双凸极结构,即凸极定子和凸极转 子,定子只有简单的集中绕组,径向相对的两个绕组串连构成一个两极磁极,称为“一 相”,而转子上没有绕组,仅由硅钢片叠压而成。该系统的主要优点有:电机的结构简 单、孥固,成本低,工作可靠,维护方便,系统控制灵活,调速性能好,运行效率高, 动念性能好,转矩惯量比高,电机温升低、冷却容易,可以实现各种特殊要求的转矩一 转速特性等。丌关磁阻电机的这种特殊结构和特点使得它可以在恶劣条件和超高速要求 的场合下实现超高速、低损耗运行并具有自修复功能,可广泛应用于家用电器、一般工 业用伺服与调速系统、牵引电动机、航空航天器械、汽车辅助设备、机器人驱动等领域。 功率范围从几瓦到几兆瓦,转速从几转到几力转【1 , 2 , 3 j 。 可实现超高速、低损耗运行是s r m 的一大特点,是其它电机所不具备的。但高速、 超高速电机的一个突出问题是机械轴承的磨损问题。速度增加磨损速度将加倍增快,机 械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力,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,导致电机的动态特性变差,从而降低电机的效率,缩短电机及装备的使用寿 磁悬浮开关磁阻电机模型及解耦控制的研究 命【4 5 】。特别是在一定转矩下用高速或超高速丌关磁阻电机束驱动时,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,大幅度缩短了轴承和电机的使用寿命,为此 用机械轴承来支承电机严重制约着丌关磁阻电机向更高速度和更大功率方向发展,轴承 的性能大大影响了电机的可靠性和装备利用率。磁轴承技术的出现则克服了这种机械轴 承的缺点。磁轴承是利用磁场力将电机转子悬浮于空中,实现电机定子和转子之间无任 何的机械接触的- 。种新型高性能轴承,具有无磨损、不需润滑和密封、高速度、使用寿 命长等优点【6 】。但是由磁轴承支撑的电机还存在以下问题:一是由于磁轴承安装在电机 转轴的两端,增加了轴向长度,使得电机临界转速的设计受到限制。这样便限制了电机 向更大功率发展;二是磁轴承的使用需要高品质的控制器、高性能的功率放大器和高造 价、高精度的位置传感器,使得轴承的结构较为复杂,体积较大和成本较高,大大影响 了由磁轴承支承的高速电机的使用范围。 磁悬浮开关磁阻电机【7 1 0 】( 也称无轴承开关磁阻电机) ,则是利用磁轴承结构与s r m 定子结构的相似性,结合了两者的优点而提出的。磁悬浮开关磁阻电机是把磁轴承当中 产生悬浮力的绕组叠压到电机的定子绕组上,使悬浮力绕组产生的磁场和电机定子绕组 产生的磁场合成一个整体,通过研究探索驱动电机转动的转矩力和产生径向悬浮力的耦 合情况以及解耦方法,实现独立控制电机的旋转和转子的稳定悬浮。 另外,噪声和振动是s r m 一个严重的问题,试验表明径向磁吸力是开关磁阻电机 的主要噪声源。普通的s r m 运行时除了产生所需切向旋转力的同时也产生了径向磁吸 力,磁悬浮丌关磁阻电机可以有效地利用这种引起振动和噪声的径向磁吸力,一方面获 得使电机转子悬浮的径向悬浮力,另一方面可以有效地制约普通s r m 的噪声和振动【l 0 1 。 因此除了保持磁轴承支承的开关磁阻电机寿命长、无机械摩擦和磨损、无需润滑等优点 外,还可以向更高转速和功率大、转矩脉动小的方向发展。 将磁悬浮轴承绕组和电机定子绕组有规律地绕在一起,实现电机的无轴承化,这个 概念最初是由r b o s c h 于上世纪八十年代术提出来的,在瑞士的j b i c h s e l 实现了同步 电机的无轴承技术之后】,无轴承技术的研究引起了重视。目前瑞士、日本和美国等国 家都大力支持丌展这项研究工作。如同本的a c h i b a 等人对感应电机的无轴承技术进行 了研究【m 1 5 】;瑞士的r s c h l ? b 等人研究了无轴承感应电机的向量控制问题【16 】;瑞士的 s n o m u r a 等人研究了无轴承感应电机径向位置的控制问题【l7 j ;同本的a c h i b a 、c m i c h i o k a 和s m o r i 等人对无轴承同步磁阻电机进行了研究【1 8 2 ,实现无负载转矩条件 下运行转速达1 2 0 0 0 r p m ,转速在8 0 0 0 r p m 情况下,输出功率为2 1 2 k w ;同本的a c h i b a 、 2 江苏人学硕十学位论文 m o s h i m a 、t o h i s h i 等人对无轴承永磁同步电机进行了研究2 2 砣5 1 ,瑞士的r s c h o b 和 n b a r l e t t a 等人对无轴承的片状电机进行了研究2 6 1 。对磁悬浮( 无轴承) 丌关磁阻电机 的研究是最近几年的事,同本的m t a k e m o t o 等人对磁悬浮丌关磁阻电机进行了部分理 论和实验研究,文献 1 0 研究了三相磁悬浮丌关磁阻电机考虑定转子齿磁通边缘效应和 转子在相互垂直的两个方向上径向力悬浮力( 定子齿和转子齿部分对齐时) 耦合时径向 悬浮力与绕组电流的数学表达式,并用实验进行了验证;文献 2 7 提出了磁悬浮开关磁 阻电机采用控制定子绕组中方波电流合适的超前相位角以和电流的脉宽乱来实现电机 空载和负载条件下稳定运行的方法,并且在控制方法中考虑了转子悬浮力与转子旋转力 之间的耦合作用,这个理论在空载条件下实现了电机的稳定运行;文献 9 提出了由于 转子本身机械加工导致转子偏心,造成转子运转时不平衡振动,提出采用前馈补偿来改 善径向位移控制器的办法来解决,实验结果表明具有比较好的效果。通过文献检索,国 外有同本东京科技大学的m t a k e m o t o 等人从1 9 9 8 年开始对磁悬浮开关磁阻电机进行研 究外,目前国内有江苏大学和南京航空航天大学开展了这项研究。但为数不多的文献可 以说明磁悬浮丌关磁阻电机的基本理论是正确的。 1 2 磁悬浮开关磁阻电机的特点及应用前景 ,一 : 与普通的丌关磁阻电机和磁轴承支撑的开关磁阻电机相比,磁悬浮开关磁阻电机具 有以下优点: 1 消除了开关磁阻电机转子与轴承之间的磨擦,从而可以有效地避免因部件之间 的磨损引起的零部件损伤,减少维护和延长电机使用寿命。 2 径向悬浮力绕组叠压到开关磁阻电机的定子绕组上,不占用额外的轴向空间。 使得电机的轴向长度可以设计的较短,临界转速可以非常的高,从某种意义上讲,电机 转速只受转子材料强度的限制。这样,磁悬浮丌关磁阻电机拓宽了高速电机的应用领域, 特别是要求体积小、转速高、寿命长的应用领域。 3 不需要润滑剂,避免了对环境的污染,适合于真空、超净、无菌车间、各种超 高温和超低温以及有害气体等恶劣环境中使用。 4 悬浮系统电能消耗小,传统的磁轴承需要静念偏置电流产生电磁力来维持电机 转子的稳定悬浮。而磁悬浮开关磁阻电机是以电机本身的励磁磁场作为偏置磁场,径向 悬浮力控制系统的功耗只有电机功耗的2 5 。 磁悬浮开关磁阻电机与其他磁悬浮电机相比还具有以下特点: 3 磁悬浮开大磁阻电机模型及解耦控制的研究 1 磁:悬浮丌关磁阻电机由于转子无绕组,电机在高速运行下不会变形。 2 具有一定的容错能力。 3 可以在高温、强温等恶劣坏境下运行。 4 磁悬浮丌关磁阻电机产生悬浮力的原理与其它磁悬浮电机的差别很大,如磁悬浮 感应电动机,悬浮力绕组与定子绕组共两套,转子和定子的内j , i - 表面是圆柱型的,在相 互f 交的两个方向上产生的径向悬浮力耦合小,而磁悬浮丌关磁阻电机悬浮力绕组的数 量是电机相数的两倍,每个相的径向悬浮力绕组产生的悬浮力在相互垂直的方向上耦合 关系复杂,并且悬浮力与转矩力之间存在非线性耦合关系,这增加了磁悬浮丌关磁阻电 机数学模型建立的复杂性。 由于在同样的气隙下磁悬浮开关磁阻电机既要产生径向悬浮力又要满足电机的额 定功率,所以带来了以下的缺点: 1 增加了电机设计的复杂性。 2 增加了系统的非线性和强耦合性。 3 控制器复杂。 4 危急情况下应变能力差,因而大多数系统配备了辅助轴承,以致结构复杂。 磁悬浮丌关磁阻电机虽然还处于理论研究和样机的实验阶段,但是研究初期的成果 所体现出来的特点和优点使我们可以想象磁悬浮开关磁阻电机将在许多领域中得到广 泛的应用。 在电子工业中,超大规模集成电路的发展要求半导体硅片在超真空、无杂质密封室 内加工,对传送硅片的机器人具有苛刻的要求:既不能用润滑剂,也不能产生尘粒和气 体,因此采用磁悬浮电机直接控制机器人及其操纵手臂成为理想的选择。另外在集成电 路制板过程中磁悬浮将会取代气挚悬浮芯片布焊。 在化工领域中,环境污染严重的放射性环境或高温辐射环境,如用磁悬浮电机驱动 调速离心泵进行核废料处理的场合,可以解决机械轴承磨损与定期维修的难题。 在柔性制造、加工和传送系统中,工件的悬浮保持与传送。如基于同高速通讯网络 互联的分布式磁悬浮直线感应电机群、各种功率转换和控制器组成的高速、高加减速材 料运输系统。基于磁悬浮技术的石油和煤炭输送系统,可以减小原油与输油管之白j 的接 触粘滞力,极大地提高输油速度,在多山地区,磁悬浮煤炭输送系统不仅可以解决铁路 运输的难题,而且适用于爬坡和全天候工作。 在轨道交通中,超导磁悬浮机车能实现超高速、大容量平稳安全运输,极大地提高 4 江苏人学硕十学位论文 运输效率,高温超导磁悬浮机车是未来列车发展的趋势。 在生命科学领域中,利用人工心脏部分或全部替代心脏功能成为心脏病患者生命延 续的关键。过去利用机械轴承人工心脏血泵会产生摩擦和发热,使血细胞破损,引起溶 血、凝血和血栓,甚至危及病人生命。现在国外研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工 心脏血泵,采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高,而且可以防止血细胞破损,引起 溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅解除了心血管病患者的疾苦,提高了 患者生活质量,而且对人类延续生命具有深远意义。 1 3 磁悬浮开关磁阻电机当前的研究热点和难点 1 磁悬浮开关磁阻电机是一个具有强耦合、非线性、多变量的复杂系统,实现各 个自由度的径向悬浮力之间以及径向悬浮力和电磁转矩之间的解耦控制是该电机稳定 运行的自仃提。因此,采用现代控制理论和方法来研究磁悬浮开关磁阻电机各个自由度的 径向悬浮力之间以及电磁转矩和径向悬浮力之间的动态解耦成为最关键最复杂的问题。 2 分析磁悬浮丌关磁阻电机的基本结构,研究悬浮力和旋转力的基本要求以及其 随转速、转矩的变化特性,研究励磁系统电磁的非线性特性,分析计算不同负载、转矩 下的铁芯损耗等,给磁悬浮丌关磁阻电机的设计提供理论基础。 3 磁悬浮开关磁阻电机中,如何减小转矩脉动也是未来研究的一个热点。转矩的 脉动引起转速的波动,从而限制了其在诸如机器人关节等伺服传动场合的应用。对于磁 悬浮丌关磁阻电机,也存在着这个问题。开关磁阻电机的转矩脉动已经有了一些解决的 办法【2 8 瑚】,但是磁悬浮开关磁阻电机如何抑制转矩脉动,还未见报道。 4 超声波传感技术和激光传感技术可以提高位移传感器的定位精度,可编程逻辑 控制技术在磁悬浮系统中可以实现自动时序控制。高性能逆变器设计和智能化非线性电 机控制技术也将在磁悬浮系统中得到进一步的应用。这是磁悬浮系统发展的一大趋势, 也是当今的一大研究热点。 5 无位置传感器方案研究:将位置传感器引入磁悬浮开关磁阻电机带来许多消极 因素。如增加了电机结构的复杂性;增加了电机与控制器之间的硬件电路;增加系统成 本和潜在的不稳定性;占据了一定空间;而且由于传感器分辨率的限制,导致磁悬浮丌 关磁阻电机高速运行性能下降。因此探索实用的无位置传感器方案成为将来研究一个热 点。 6 在新材料方面,使用稀土永磁材料、高温超导材料、稀土高温超导材料等新材 磁悬浮开关磁阻电机模础及解耦控制的研究 料,将进一步提高磁悬浮开关磁阻电机的效率。 1 4 本课题研究的内容和意义 本文研究的主要内容如下: 第一章为绪论部分。通过阅读大量国内外文献,介绍了磁悬浮丌关磁阻电机的研 究现状、特点及应用自,j 景、当前的研究热点及难点等。 第二章总结了目前磁悬浮电机可实现的般形式,并做了对比分析,在此基础上 提出了套五自由度的磁悬浮丌关磁阻电机实验样机设计方案。 第三章在分析了丌关磁阻电机结构和运行原理的基础上,分析了磁悬浮开关磁阻 电机轴向和径向稳定悬浮定位的原理和方法。 第四章在第三章的基础上,推导了磁悬浮开关磁阻电机样机五自由度方向上悬浮 定位的数学方程,并进行了仿真运算,为磁悬浮开关磁阻电机的控制提供了重要的理论 依据。 第五章根据逆系统解耦线性化方法对磁悬浮丌关磁阻电机轴向和径向五自由度悬 浮系统进行线性化和解耦处理。在此基础上采用线性二次型最优控制方法设计磁悬浮丌 关磁阻电机轴向和径向悬浮系统的闭环控制器。仿真表明能取得良好的控制效果。 第六章总结和今后研究的展望。 磁悬浮丌关磁阻电机通过分别控制主绕组和径向力绕组中的电流,动态调节转子径 向位置,实现转子的稳定悬浮。将磁悬浮技术应用到丌关磁阻电机上不仅拓展了磁悬浮 电机的理论和应用范围,充分发挥了开关磁阻电机自身的高速适应性,也因为其对转子 径向位置的控制有望改善因不对称磁拉力造成的震动和噪声问题。基于磁悬浮电机高品 质的性能,广阔的应用前景,对提高机械工业、汽车工业、机器人、航空航天、生命科 学和食品工业等领域装备的水平,特别是对提高航空航天器材工作性能和在生命科学领 域的应用,无疑具有现实意义,另外,对于我国开关磁阻调速电动机性能的提高和发展, 以及奠定磁悬浮开关磁阻电机在国际上的研究地位也具有重要的意义。 6 江苏人学硕十学位论文 第二章磁悬浮开关磁阻电机的基本结构 2 1 磁轴承支承的电机结构 传统的电机都是采用两个机械轴承来支承转子的,如图2 1 所示。但是机械轴承存 在机械磨擦和需要润滑剂等缺点。机械摩擦除了增加转子轴的摩擦阻力,磨损轴承,降 低轴承使用寿命,产生机械振动和噪音,而且导致部件发热,使润滑剂性能变差,严重 的时候还会造成电机气隙不均,绕组发热,温升增大,从而导致电机的动态性能变差, 降低电机的效率,最终缩短电机及装备的使用寿命。所以,机械轴承磨损成为高速、超 高速电机的一个突出问题 4 , 5 1 。 机械轴承电机绕组机械轴承 图2 1 传统电机的转子支承结构图2 - 2 一个自由度磁轴承的基本结构示意图 为解决机械轴承的磨损问题,从而提出了磁轴承的概念。近2 0 年来发展起来的磁 轴承技术,是利用磁场力将转子悬浮于空间,实现转子和定子之间没有任何机械接触的 一种新型高性能轴承。磁轴承具有无摩擦、无损耗、不需要润滑和密封、高速度、高精 度、寿命长等优良品质,从根本上改变了传统的支承形式,在能源交通、航空航天等领 域具有较为广泛的应用前景。一个简单的磁悬浮轴承的结构如图2 2 所示( 只考虑径向 一个自由度上的悬浮) 。传感器检测到转子的偏心,控制器根据设定的控制算法计算出 需要的控制电流,通过功率变换器,调整绕组的电流,从而调整磁力的大小,实现转子 位置的调整。 实现磁悬浮电动机转子悬浮的一个最直接的办法就是使用磁悬浮轴承代替机械轴 承柬实现转子的悬浮。每个磁悬浮轴承单元含有坏绕着转轴的电磁体,利用带有负反馈 的径向位置控制器来控制电磁体的励磁电流即电磁体的径向磁力,使转轴保持悬浮运 转。一个磁悬浮电动机的转子需要两个磁悬浮轴承,需要四个自由度的控制与功率变换 设备。 但是对转子的径向位置控制只能实现转子径向的稳定悬浮,而对轴向稳定性无任何 磁悬浮开犬磁阻电机模型及解耦控制的研究 作用。因此,在磁轴承支承的丌关磁阻电机中必须还具有轴向稳定装置。一般情况下, 使用轴向推力轴承来实现转子的轴向稳定悬浮。轴向推力轴承与径向悬浮力轴承结构完 全相例,只是轴向放置。这样,磁悬浮电动机总共需要在五个自由度上施加控制力来实 现完全的悬浮。即四个径向和一个轴向。一个完整的磁轴承系统由转子、传感器、控制 器、功率放大器和电磁铁组成1 6 】,一个完整的用磁悬浮轴承技术实现的磁悬浮电动机的原 理见图2 3 所示。 图2 - 3 磁悬浮轴承技术实现的磁悬浮电机 磁轴承支承的电机虽然有突出的优点,但在不同的应用领域仍然存在如下问题 3 1 3 2 】:电机的输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率,电机的轴向长度 和径向尺寸必须要随之加大。由于磁轴承在轴向和径向都占有很大一部分体积,为了在 高速时能避丌转子的临界转速( 以免引起转轴的共振) ,只能尽量控制电机本身的轴向 长度,这样就导致提高电机的功率比较困难,而电机的转轴径向尺寸则受电磁体材料机 械强度的限制。磁轴承需要高品质的控制器,高性能的功率放大器和多个造价不菲的 位移传感器,导致磁轴承结构较为复杂、体积较大且成本较高,大大影响了由磁轴承支 承的高速电机的使用范围。 2 2 磁悬浮电机可实现的一般形式 根据磁轴承结构和交流电机定子结构的相似性,把磁轴承当中产生径向悬浮力的绕 组叠加在原来的电机定子绕组上,使径向力磁路和电机的旋转磁路合成一个整体,通过 探索驱动电机转动的旋转磁场和产生径向悬浮力磁场的耦合情况以及解耦方法,分别实 现独立控制电机的旋转和转子的稳定悬浮【3 3 】。早在上个世纪7 0 年代,这种电机的构想 就被提出。此后又陆续提出具有转子自悬浮功能的步进电机、异步电机。这些电机从本 质上仍然是磁轴承和电机的简单组合,由于机理制约,缺乏实现悬浮力和旋转力矩之间 解耦的有效手段,其实用价值有限。文献 3 4 1 q b 首次将该种类型电机称之为“无轴承电 机”,意指“没有独立的径向磁轴承”。文献【3 5 中针对永磁同步电机( 极对数为p 1 ) 提 出在电机定子上再叠绕极对数为p l 1 悬浮力控制绕组,利用矢量控制成功地实现了径 r 江苏人学硕十学位论文 向悬浮力和旋转力矩之间的解耦,至此,磁悬浮电机的研究开始受到高度重视。9 0 年代 至今,交流异步电机、同步磁阻电机、同极性感应电机和开关磁阻电机的无轴承技术相 继研究成功【1 0 , 1 6 1 ,并有部分成果商品化。 为了产生可控的悬浮力,磁悬浮电机通过在电机的定子中放入两套具有不同极对数 的绕组,电枢绕组( 极对数p 1 ) 和悬浮控制绕组( 极对数p 2 ) 。只有当极对数满足p 2 = p 1 l 时,电机中爿能产生可控的悬浮力【1 1 1 2 , 1 6 1 。悬浮控制绕组的引入,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,而其空间对称区域磁场减弱,产生 的磁场力将指向磁场增强的一方。 磁悬浮丌关磁阻电机除保持磁轴承支承的电机系统寿命长、无须润滑、无机械摩擦 和磨损等优点外,还有望突破更高转速和大功率的限制,拓宽了高速电机的使用范围。 由前面的分析,我们知道磁悬浮电机转子在5 个自由度上是靠磁场产生作用力来实 现转子稳定悬浮。其中径向2 或者4 个自由度上的悬浮力,是由叠加在定子槽罩的径向 悬浮力绕组产生的磁场,打破电机定子绕组产生旋转磁场的平衡而产生的。轴向位置的 控制则采用磁轴承来进行准确定位。单个的无轴承电机一般只能约束转子沿径向方向的 二个自由度,要实现转子稳定的悬浮,需在五个自由度上施加约束。所以要实现磁悬浮 电机的稳定悬浮需要对其转子的五个自由度施加控制,而磁悬浮电机的结构与控制有着 紧密的联系,根据不同的目的合理的选用不同的结构是研究磁悬浮电机的基础。本文总 结了五种磁悬浮电动机的机械结构如下: 磁悬釉机磁悬梨轴承磁悬浮电机转子鲈磁悬浮电机 j 磁悬浮电机 豫。尹 哪萱多i 哪肿 髟1r 刁_ 1 纽: 一 丘:蕴j :l| :蠡。: 物 删i | | l l m l i i | i l l l l i l l i 衄圆- j - l 邶0 l i i l o l 皿i l 砌m i i l l l l l i i i l i p 图2 - 4 磁悬浮电机的结构图( 一) 图2 - 4 所示结构的磁悬浮电机系统两端采用了独立的两套磁悬浮电机结构,这样可 以进行独立控制两端电机绕组电流而实现径向悬浮力大小的调节,磁悬浮电机的抗干扰 性较好。特别是在有外加负载的时候,容易实现转子轴的稳定悬浮,闭环性能较好,是目 前普遍应用的一种结构形式。缺点是需要两套完全相同的控制器,逆变器及其传感器等, 造价较高。 图2 5 所示结构的磁悬浮电机系统只有一套磁悬浮电机,转子的一端采用轴向推力 9 磁悬浮开天磁阻电机模型及解耦控制的研究 磁轴承来实现转子轴的轴向稳定。这种结构只有一套旋转力绕组和径向悬浮力绕阻,一 磁悬浮推力轴承 图2 - 5 磁悬浮电机的结构图( 二) 方面它的整体结构比较简单,轴向长度较短,可以做到很高的临界转速;另一方面由于 只有一套径向悬浮力绕组,使得转轴径向方向很难控制,特别是在有外加负载的时候。 磁悬浮 磁悬浮磁悬浮 推力轴承电机推力轴承 图2 6 磁悬浮电机的结构图( 三) 图2 - 6 所示结构的磁悬浮电机的轴向悬浮固定由一对永磁铁轴向推力磁轴承构成, 永磁推力磁轴承由定子推力盘和转子推力盘组成。二者均为非铁磁性圆盘,在推力盘上 镶嵌有环形钕铁硼高磁场永磁铁,永磁铁均沿轴向磁化。其结构如图2 7 所示,该种磁 轴承转子和定子均是由永磁铁构成,属于文献 6 的3 型轴承,及无超导体的铁磁性永久 磁铁轴承,这种轴承无法在所有自由度上都能 保持悬浮物体位置的稳定,但是可以在一个方 向上支撑物体,此种结构一般用作轴向推力磁 轴承。定、转子上永磁铁的同极性相对,定、 转子相互推斥。该种结构的磁推力轴承的工作 原理是:当转子位于平衡位置时,左、右推力 轴承的定子对转子的排斥力相等,即z = , 转子沿轴向的合力为零。当转子发生偏心时, 如偏向左端,左端的推力轴承的气隙将减小, 因而左端定子对转子推力盘的排斥力z 增大; l o 推力轴承推力轴承 ( a ) 永磁锣 图2 7 磁悬浮轴承的受力图 江苏人学硕十学位论文 与此闻时,右端推力轴承的气隙将增大,厶减小; ,转子轴向右端运动,同理, 当转子轴偏右时,z z :, : z :,推力盘受到力偶的作用,倾斜将被抑 制,使转子轴回到稳定的平衡点。缺点是转子过长,影响其中临界转速的提高。 丽 轴向一径向磁轴承 磁悬浮电机 图2 8 磁悬浮电机的结构图( 四) 图2 8 种结构外观与图2 5 种结构相似,但是却有本质的区别。此结构中将控制轴 向运动的磁轴承,改为集轴向一径向于一体的磁轴承( 其运行原理见第三章) 【3 3 1 ,在产 生轴向方向的推力的同时,又能产生径向悬 浮力,轴向一径向磁轴承大大减少了体积, 提高了转子的动态性能,根本上降低了磁悬 浮电机的成本。 图2 - 9 所示为永磁偏置轴向一径向磁 轴承基本结构,由轴向定子、轴向控制线圈、 径向定子、径向控制线圈、环型永久磁铁等 构成。工作时轴向两个线圈、径向分别对置 的两个线圈串联作为相关自由度的控制线 1 轴向定子 2 轴向控制线圈 3 轴向磁轴承气隙 4 径向磁轴承气隙 5 转子叠片 6 径向控制线圈 7 径向磁轴承定子 8 环型永久磁体 圈。定子铁芯采用硅钢片叠压而成,永久磁 图2 9 永磁偏置轴向一径向磁轴承结构示意图 铁采用稀土材料钕铁硼制 成。当径向一轴向都稳定悬 浮时,转子在永久磁铁产生 的静磁场吸力下处于悬浮的 中间位置。由于结构的对称 性,永久磁铁产生的磁通密 度在转子上下、左右和前后 的气隙处是相等的。 i l l l l l l l i l l l l l l l l l l l l l l h l i i l l l l l l l i l l l 卜 瑟麓瑟圆缓锄磁黝缴锄糍嬲渡貔渊 删i l l l i i i l i l l l l l l | l l l l i i l l 卜 电机+ 径向磁轴承 图2 1 0 磁悬浮电 颜古白结桷图f 五) 图2 1 1 磁悬浮圆盘式 电机工作原理 m川川掣l j、 磁悬浮开关磁阻电机模型及解耦控制的研究 轴向推力轴承 。 径向磁轴暮令磁悬浮开关磁阻电动铲子尹 删舯 寥 摘汹洳 二二翌 三二二二:二:二 i i i i i i dj 0 色蝴咖圆删删| | l l l 删i i 衄皿l l 脚 , 江苏人学硕十学何论文 2 3 2 主要部分结构 1 轴向磁轴承 轴向磁轴承采用技术较成 熟的励磁偏置的主动磁轴承其 结构简图如图2 1 3 所示,在设 计轴向磁轴承时需要考虑如下 几个问题: ( 1 ) 设计定子铁芯时, 尽量保证定子的内外端面的端 面积相等; 冈闪 j 、 2 、- 、 ,、 冈附 、 1 绕组2 铁心3 转轴4 吸力盘 图2 1 3 轴向磁轴承结构简图 ( 2 )轴向磁轴承采用励磁偏置的主动磁轴承,轴向“转

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