（电力电子与电力传动专业论文）无轴承异步电机控制系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h er e s e a r c hd o m a i no fh i 【g hs p e e da n du l t r a - h i g hs p e e de l e c t r i c a ld r i v e ，ab e a r i n g l e s s m o t o r , w h i c hi n t e g r a t e st h ef u n c t i o no fd r i v ea n ds e l f - l e v i t a t i o n ，c a nr e a l i z eh i g hs p e e da n d u l t r a - h i g hs p e e d , 8 0i t h a sb e e nar e s e a r c hf o e t u so fm o t o r st e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rb e a r i n g l e s sm o t o r ，t h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r ，w h i c hh a st h e a d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y , a i r - g a p u n i f o r ma n de a s yf i e l dw e a k e n , h a s p o t e n t i a lp r o s p e c t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e m o ft h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o ra r ed e v e l o p e d m a i nc o n t e n t sa r e 髂f o l l o w s ： f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo ft h eb e a r i n g i e s si n d u c t i o nm o t o ri si n t r o d u c e da n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h em o t o ri sg i v e n a i m e da tt h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h ee l e c t r o m a g n e t i c t o r q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e so ft h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r , a i r - g a p f l u xo r i e n t e d c o n t r o ls t r a t e g yi su s e d , t o r q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o ns u b s y s t e m sc a l lo p e r a t ei n d e p e n d e n t l y , a n d t h ec o n t r o ls y s t e mo f b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o ri sd e s i g n e d s e c o n d l y , w i t ht h en e e do fr o t o rd i s p l a c e m e n ts e n s o r l e s so p e r a t i o no f ab e a r i n g l e s si n d u c t i o n m o t o r , as e l f - s e n s i n gm e t h o dt oe s t i m a t et h er o t o rr a d i a ld i s p l a c e m e n t si sp r o v i d e d a n da d e t e c t i o no b s e r v e ro ft h er o t o rr a d i a ld i s p l a c e m e n t si sd e s i g n e d t h es y s t e mo ft h er o t o rr a d i a l d i s p l a c e m e n ts e n s o r l e s s ，b a s e do nt h et h ea i r - g a p - f l u xo r i e n t e dc o n t r o ls t r a t e g y ，i ss i m u l a t e db y u s i n gs i m u l i n k , w h i e l ai st h es u b s y s t e mo fm a t l a bs o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e t e c t i o no b s e r v e rc a ne s t i m a t et h er o t o rr a d i a ld i s p l a c e m e n t se x a c t l y ，a n dt h em o t o rc a nw o r k s t e a d i l y f i n a l l y ，t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft h eb e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r i sd e s i g n e d b o t ht h e h a r d w a r es y s t e ma n dt h es o f t w a r es y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l ar e l i a b l ee x p e r i m e n t e n v i r o m e n tf o rs u s p e n s i o no p e r a t i o ns t u d y i n go ft h ep r o t o t y p em o t o ri sp r o v i d e d t h ed l g i t a l c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e b u g g e da n do p t i m i z e d ，t h ee x p e r i m e n ts t u d yh a st e s t i f i e dt h ec o n t r o l s t r a t e g y k e yw o r d s ：b e a r i n g l e s si n d u c t i o nm o t o r , c o n t r o ls t r a t e g y ，r o t o rr a d i a ld i s p l a c e m e n t s s e n s o r l e s s ，d s p ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 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。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 学位论文作者签名：副乌晴 导师签名： 签字口期伽向年多月f 2 日签字日期：歹印年易月，阳 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。 学位论文作者签名： 日期：弘o 年多月f 阳 妨囱晴 江苏大学硕士学位论文 1 1 无轴承电机概述 1 1 1 无轴承电机的研究背景 第一章绪论 众所周知，高速和超高速电机在机床主轴、离心泵、压缩机、机电贮能、航 空航天驱动等领域获得广泛的应用。但是电机是现代化工业生产中耗电量最多的 电气设备。转子高速运行时机械轴承带来的摩擦阻力增加，磨损加剧，造成电机 发热，不仅降低电机工作效率，缩短电机和轴承使用寿命，同时也增加了对电机 和轴承维护的负担。支撑轴承技术一直是高速电机发展的瓶颈。因此，在建设节 能型社会的大背景下，要实现电机的高速、超高速可靠运行，高速下转子的支承 是需要首先解决的问题。 高速电机一般采用气浮、液浮或磁浮轴承，其中气浮和液浮轴承均需要配备 专门的气压、液压系统，造成电机系统结构复杂、能耗大、效率低。二十世纪七 十年代末发展起来磁轴承技术广泛应用于高速电机领域，其基本原理就是通过调 节定子和转子之间的气隙磁场大小来控制转子受到的磁力，使转子与定子之间没 有机械接触，实现转子的稳定悬浮。与传统的机械轴承相比，磁悬浮轴承的定、 转子无机械接触，具有能耗低、噪声小、寿命长、无需复杂的油雾或油脂润滑系 统等优点，特别适合高速、真空、超净等特殊应用场合，因而在近三十年来得到 了迅速的发展和完善。传统的磁轴承支承的电机系统如图1 1 ( a ) 所示，由4 个径 向磁轴承和1 个轴向磁轴承共5 个自由度来实现电机的完全悬浮。但是磁轴承占 有独立的轴向空间，使得磁悬浮轴承支承的电机轴向利用率较低，体积大，妨碍 了高速下的大容量化，限制了电机临界转速的提高，电机的输出功率也难以进一 步提高。同时，磁轴承需要高性能的功率放大器、高品质的控制器，导致磁轴承 系统结构复杂、成本较高，大大地影响了由磁轴承支承的电机系统在高速领域的 应用。为了克服磁轴承电机的缺陷，上世纪八十年代末出现了无轴承电机。其结 构如图1 1 ( b ) 所示。无轴承电机是利用磁轴承结构和交流电机定子结构具有一定 的相似性，把磁悬浮轴承中产生径向力的绕组绕制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，然后分别独立控制电机的旋转和转 江苏大学硕士学位论文 l q 径向磁轴承电机轴向磁轴承径向磁轴承 ( a ) 磁轴承支承的电机 卿 圆亘 皿皿 讧血 t 1 t 丌1 _ 几t r r 叫山山 叫l ul uj 盯m盯m j ul jl j ll j i 崮堕 压田卫 删1 1 0 删 无轴承电机 轴向磁轴承 无轴承电机 无轴承电机 图1 1 磁轴承支承的电机和无轴承电机结构示意图 轴的悬浮，这样就可以减小磁悬浮轴承所占的轴向空间。无轴承电机的磁悬浮绕 组绕在定子上，不占用额外的空间，无轴承电机的轴向长度可以较短，从、而提 高临界转速。从某种意义上讲，电机转速只受材料强度的限制。因此无轴承电机 将从很大程度上拓宽高速电机的应用领域，特别是小体积、高转速、长寿命的场 合，如要求无粉尘、无润滑、小体积的计算机高速硬盘驱动装置、超薄节能空调、 微型高速机床、空间领域等。在转轴长度保持一定的条件下，其输出功率将大幅 度提高。 1 1 2 无轴承电机的发展概况 二十世纪八十年代末，r b o s c h 首次提出无轴承电机的概念，但是由于当时 功率放大器、高性能的数字信号处理器和磁场定向控制技术不够成熟，使得这些 方案很难实现。从二十世纪八十年代末到九十年代初，国际上提出了许多关于无 轴承电机的重要思想。其中普遍的思想就是将磁场定向控制技术应用到无轴承电 机的控制中【旧，将数字信号处理器和矢量控制技术相结合来控制电机的转矩绕 组和悬浮力控制绕组的电流，解决了无轴承电机复杂数字控制的难题。瑞士苏黎 世联邦工学院( e t h ) 的j b i c h s c l 在功率开关器件和数字信号处理器等这些科 技进步的基础上，于二十世纪八十年代末首次实现同步电机的无轴承技术【3 1 。几 2 江苏大学硕士学位论文 乎与j b i c h s e l 同时，1 9 9 0 年日本a c h i b a 首次实现磁阻电机的无轴承技术【4 】。 1 9 9 2 年，日本茨城大学的y o k a d a 首次实现永磁电机的无轴承技术【5 】。1 9 9 3 年， 瑞士苏黎世联邦工学院的s c h o e b 首次实现交流电机的无轴承技术【6 1 。无轴承 电机取得实际应用，关键性突破是1 9 9 8 年瑞士苏黎世联邦工学院的n b a r l e t t a 研制出无轴承永磁同步薄片电机【7 】，该电机结构简单，大大降低了控制系统费用， 在很多领域具有很大的应用价值。2 0 0 0 年，瑞士苏黎世联邦工学院的s s l i b e r 研制出无轴承单相电机【8 】，降低了控制系统的费用，使得无轴承电机应用经济可 行。 目前国际上对无轴承电机的研究工作非常重视，国际电工学科通常将无轴承 电机技术归类为电磁轴承技术一类，1 9 8 8 年在瑞士苏黎世召开了第一届“国际 磁悬浮轴承会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i cb e a r i n g l e s s ) ，此后每两年 召开一次。美国航空航天局1 9 8 8 年2 月召开了一次“磁悬浮技术专题研讨会( a w o r k s h o p o nm a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) 和1 9 9 1 年3 月召开了一次“磁悬 浮技术在航天中的应用( a e r o s p a c ea p p l i c a t i o n o fm a g n e t i c s u s p e n s i o n t e c h n o l o g y ) 的学术讨论会。此后从1 9 9 1 年起，在上下两届国际磁悬浮轴承会 议的中间一年，召开国际磁悬浮技术会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm a g n e t i c t e c h n o l o g y ) ，每两年召开一次。国际上研究的无轴承电机的种类有无轴承异步电 机、无轴承永磁同步电机、无轴承单相电机、无轴承同步磁阻电机和无轴承开关 磁阻电机。瑞士、日本、德国、美国、奥地利等均在大力开展研究，瑞士、日本 处于领先地位。瑞士、日本和美国等国家都大力支持开展这项研究工作。如瑞士 的r s c h o e b 、n b a r l e t t a 和p a s c a ln b o e s c h 等人对无轴承感应电机和无轴承片 状电机进行了研刭2 ，9 】；日本的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，实现无负载转矩条件下运行转速达1 2 0 0 0 f f m i n ，转速 在8 0 0 0r m i n 情况下，输出功率为2 1 2 k w t l 0 , 1 1 1 ；日本的m o o s h i m a 、a c h i b a 、 t o h i s h i 等人对无轴承永磁同步电机进行了研究，到目前的最新研究成果是完成 了对功率4 k w ，转速110 0 0r r a i n 的表面凸装式无轴承永磁同步电机实验样机的 研制。该样机为四自由度，仅能连接轴向共线负载，并没有真正意义上的应用价 值1 3 , 1 4 ；美国的l y n d o ns s t e p h e n 等人研究了无槽洛伦兹力无轴承电机1 5 , 1 6 ， 由于这种电机径向悬浮力较小，仅适用于航天航空领域特殊的电气传动。 江苏大学硕士学位论文 国内相关研究工作起步较晚，尚处于实验室研究阶段。自二十世纪九十年代 后期，在国家相关基金资助下，清华大学、浙江大学、南京航空航天大学、江苏 大学和沈阳工业大学等开展了这方面的研究，在理论和实验方面取得了一些成 绩。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所相继开展了集成化储能和姿态控 制的概念研究及微型卫星姿态控制系统的研制，在以前工作的基础上，提出了采 用同一组线圈实现转子稳定悬浮的电机结构，对影响电机悬浮力、转矩的各种主 要因素，如定子、转子之间的空气气隙、永磁体厚度、电流等之间的关系进行了 深入的研究，并制造出一台原理样机，实现了电机转子稳定悬浮状态下的旋转。 沈阳工业大学研究了无轴承电机在人工心脏血泵上的应用，以及混合式转子无轴 承电机及其控制【1 7 1 9 1 ；南京航空航天大学在无轴承电机的磁场定向控制、悬浮 独立子系统等方面进行了研列2 0 】；浙江大学开展了无轴承异步电机优化气隙磁场 定向控制、永磁型无轴承电机电磁设计及运行控制研究，并已开始探索永磁型无 轴承电机的无传感器运行【2 1 2 3 1 。 1 2 无轴承异步电机的研究概况及发展趋势 1 2 1 无轴承异步电机的研究概况 从已发表的论文来看，国际上重点致力于无轴承异步电机、无轴承永磁同步 电机和无轴承薄片电机的研究。相对于其它类型的无轴承电机而言，无轴承异步 电机具有结构简单、成本低、气隙小且均匀、可靠性高、易于弱磁升速等特点， 又可采用普通的笼型转子，机械强度高，可以运行在超高速状态，受到了广泛的 重视，是研究最早、最多的无轴承电机类型之一。 与传统异步电机相比，无轴承异步电机最显著的特点是能够产生使转子悬浮 的径向悬浮力，因此无轴承异步电机的径向悬浮力模型一直是研究的重点。在已 发表的文献资料中，无轴承异步电机的径向悬浮力模型有两种：一种是基于电感 矩阵的悬浮力模型。这种悬浮力模型是从电机磁路出发，利用解析法推导出电感 矩阵模型。由于电机的磁场储能反映为电感储能，由相关公式就可得到气隙磁场 的储能，最后根据虚位移原理，对磁场储能求偏导，得到径向悬浮力计算公式。 目前，主要是日本学者采用了这种悬浮力模型。这种悬浮力模型是两套绕组电流 相互作用的结果，其难点是两套绕组之间的互感矩阵及其磁场储能对位移的求导 4 江苏大学硕士学位论文 计算比较复杂，实际应用受到一定限制。另一种是基于麦克斯韦力的悬浮力模型。 这种悬浮力模型是从电机内部磁力来考虑的。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【2 4 】。洛仑兹力是电机气隙旋转磁场与转子载流导体中 电流相互作用而成的，主要作用是产生电机的电磁转矩，在悬浮控制中所起的作 用相对较少，可以不予考虑 6 1 。麦克斯韦力是磁路中不同磁导率介质铁心和空气 边界上形成的磁张力，主要作用表现为径向磁拉力。由麦克斯韦应力法计算磁场 作用力沿转子圆周的积分，可以推导出磁场作用下的径向悬浮力模型。瑞士和国 内的一些研究单位采用了这种悬浮力模型，并从不同的角度分别详细分析和推导 了考虑转子偏心或不考虑转子偏心时无轴承电机的径向悬浮力，并通过有限元分 析软件或m a t l a b 仿真软件进行了验证。该种解析模型形式简单，能够很好的 解释悬浮力的产生机理，并能在实际生产中应用广泛。但是，现在对径向悬浮力 模型的研究尚不深入，这两种悬浮力模型都是在对电机模型做了一定的假设下展 开的，忽略了磁路饱和、涡流、铁心损耗以及两套绕组之间的非线性耦合关系等 因素，从而在计算模型中引入了误差。因此，为了获得高品质的控制性能，需更 深入研究无轴承异步电机悬浮力模型。 无轴承异步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，具有复杂的电磁关系， 其径向悬浮力和电磁转矩之间存在着复杂的非线性耦合，要实现转子稳定悬浮和 在不同工况下电机无级调速运行，必须对电机进行非线性动态解耦控制。针对无 轴承异步电机的强耦合特性，国内外提出了以下几种解耦控制方法：基于逆系统 理论的非线性解耦法、幅值相位补偿法和磁场定向控制策略。瑞士学者针对无轴 承异步电机提出了一个近似线性化的基于矢量变换的控制算法来实现电磁转矩 和径向悬浮力之间的解耦控制，但这种算法构造比较复杂，需要对多个磁链矢量 进行控制，实现比较困难【2 】；日本学者分析了无轴承异步电机在空载和负载条件 下径向悬浮力和电磁转矩耦合的关系，提出了对电机电流的幅值和相角进行补偿 来保持旋转磁场的平稳转动和幅值恒定【2 6 , 2 7 】，来实现两者之间的解耦。并在此基 础上提出了一个气隙磁场定向控制方法，实现了径向悬浮力与转矩控制之间的近 似解耦2 8 , 2 9 1 。国内学者针对已得出的结果对气隙磁场控制方法进行优化3 0 1 ，并提 出了一个转子磁场定向控制方法，实现了电磁转矩与径向悬浮力之间的近似解耦 【3 1 1 。 江苏大学硕士学位论文 无轴承异步电机控制系统的设计必须考虑因磁饱和和温度变化等因素所引 起的电机参数的变化，而目前所采用的控制系统都是在一系列理想状态下建立 的，因此设计有效而实用的考虑电机参数变化的控制系统，也是一个重点和难点。 1 2 2 无轴承异步电机的发展趋势 随着无轴承异步电机研究继续深入，今后无轴承异步电机的发展方向大致集 中在以下几个方面： 1 无轴承异步电机数学模型 无轴承异步电机数学模型是无轴承异步电机及其控制系统设计的基础。目前 使用的数学模型在推导过程中进行了一些理想化的假设，比如忽略了两套绕组间 的非线性耦合关系、定转子齿槽效应等，从而在数学模型中引入了误差。为了获 得高品质的控制性能，必需建立一个具有转矩绕组和悬浮控制绕组在内的统一数 学模型。 2 无轴承异步电机的解耦控制 无轴承异步电机是一个强耦合的非线性复杂系统，实现其电磁转矩和悬浮力 之间的成功解耦是电机稳定悬浮工作的关键。目前，主要采用的控制方法有气隙 磁场定向控制和转子磁场定向控制。这两种磁场定向控制都能实现悬浮子系统和 转矩子系统的解耦，基本实现了径向悬浮力和电磁转矩之间的解耦。但气隙磁场 定向控制算法复杂，转矩绕组的励磁电流分量和力矩电流分量之间存在相互耦 合，并且存在最大转矩限制；而转子磁场定向控制在电机负载变化时，悬浮力和 悬浮绕组的电流不具有线性关系，悬浮性能会受到影响。因此必须进一步完善磁 场定向控制算法，来实现无轴承异步电机电磁转矩和径向悬浮力的动态解耦。 3 悬浮子系统单独控制 在目前研究的无轴承异步电机控制策略中，转矩控制子系统和悬浮控制子系 统之间大多存在气隙磁场信息传递，导致解耦算法复杂，缺乏实用性。因此，有 必要实现转矩控制子系统和悬浮控制子系统之间相互独立控制，使悬浮性能和调 速性能不受相互影响，增加了系统的可靠性，促进无轴承悬浮技术向高速化、实 用化方向发展 4 自传感技术 在实现无轴承异步电机的稳定悬浮的过程中，需要实时检测转子的位移信 6 江苏大学硕士学位论文 号。目前无轴承异步电机使用的电涡流位移传感器虽然能满足性能要求，但是成 本较高，并降低了系统的可靠性。因此，需要进一步研究其它满足性能要求且 价格便宜的传感器或根据电机本体参数变化来识别转子位移的自传感技术。 5 无轴承异步电机结构的优化设计 无轴承异步电机尺寸、定转子结构形式、定子绕组导线匝数以及线径大小等 因素对无轴承电机基本参数、转矩控制和悬浮控制都有重要影响，其决定了电机 转速、刚度以及反映承载能力的电磁悬浮力和电磁转矩等性能指标。然而无轴承 电机结构的复杂性又给相应参数测量或辨识带来了很大的问题，尤其是悬浮控制 绕组匝数很少、转子处于偏心位置的情况下，如何得到绕组电感系数矩阵和转子 电阻等参数是当前面临的困难之一。此外，考虑因磁饱和及温度变化等因素所引 起的参数变化，以及如何消除参数变化对转矩控制和悬浮控制带来的影响也需要 进行深入的分析和研究。 6 数字控制器硬件和软件的研究 随着d s p 技术和电机控制技术进一步发展，提高电机数字控制技术是目前研 究的热点之一。目前无轴承异步电机数字控制技术还不完善，对其硬件和软件进 行研究可提高控制系统的可靠性和工作性能。为满足其更高的性能要求，控制器 的数字化、智能化、集成化是必然的发展趋势，设计的控制软件的功能也要求越 来越完善，可靠性更高。随着数字信号处理技术、电子技术等的进一步发展，为 研究多功能、高性能的数字控制器提供了硬件条件和技术保障，使得无轴承异步 电机向多功能、数字化、智能化、集成化和模块化方向发展逐渐成为现实。 1 3 课题研究意义和主要内容 无轴承电机的悬浮机理和结构简单的特点使得无轴承电机在现代化工业、医 疗器械等领域逐渐展示其独有的使用价值，成为国际国内研究的热点和重点。目 前，瑞士、日本、美国、德国等国家大力支持开展无轴承电机技术的研究，先后 提出和研制了不同类型的无轴承电机。而国内还停留在实验室样机研究阶段，离 实际应用还有相当远距离，研究和应用水平远远落后于国际水平。因此围绕无轴 承电机的核心技术开展相关研究和实验工作，对提高我国无轴承电机的研究和应 用具有重要意义。 7 江苏大学硕士学位论文 本文以无轴承异步电机作为研究对象，对影响无轴承异步电机稳定悬浮、高 速控制等几个方面进行了研究，具体研究内容如下： 第一章阐述了无轴承电机的研究背景及在国内外的发展概况，介绍了无轴 承异步电机的研究现状及发展方向，最后概述了本文选题意义并计划了论文主要 内容。 第二章介绍了无轴承异步电机的工作原理，分析了无轴承异步电机内部磁 场力产生的机理，建立了无轴承异步电机的数学模型，包括悬浮力模型和电机旋 转模型，并在此基础上介绍了基于转矩绕组气隙磁场定向控制控制策略的无轴承 异步电机控制系统。 第三章详细介绍了一种自传感器技术来识别转子位移，即利用悬浮绕组自 感与转子位移成线性关系的特点，在悬浮绕组上注入额外的持续高频激励信号，通 过检测悬浮绕组差分电压信号实现转子位移自检测。并利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件对控制系统进行了仿真研究。 第四章详细介绍了无轴承异步电机数字控制系统的实验平台，包括硬件设 计和软件开发，并利用t i 公司d s p 的集成开发环境c c s 2 0 0 0 对整个系统进行 调试，进行相关实验研究，分析了实验结果。 第五章总结了本文所做的工作，对今后的无轴承异步电机研究进行了初步 的展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章无轴承异步电机基本原理和运行控制 无轴承异步电机因其易于弱磁、结构简单、可靠性高等特点，成为目前实 现无轴承技术中最具有发展前途的方案之一。它是在普通异步电机的定子槽中加 入一套悬浮力控制绕组，通过调节这套绕组电流来改变气隙中合成磁场的对称分 布，从而控制转轴所受麦克斯韦力的大小和方向，实现转轴悬浮。本章阐述了无 轴承电机的工作原理，分析了无轴承异步电机悬浮力产生机理，建立了无轴承异 步电机的数学模型，并提出了气隙磁场定向控制策略。 2 1 电机内部的磁场力 在交流电机中存在着两种不同类型的磁场力：洛仑兹力和麦克斯韦力。 洛仑兹力作用在载流导体上，且方向与物体表面相切的磁场力。洛仑兹力沿 切向作用在转子上产生转矩。麦克斯韦力是磁路中不同磁导率( 如空气和铁心) 磁性物质边界上形成的磁张应力，也称为磁阻力。该力的作用方向均垂直于电机 转子的表面。如果电机中的磁通是对称分布的，其麦克斯韦合力为零，如果转子 偏离了电机定子的中心而引起电机磁通分布不均匀，则麦克斯韦合力就不为零， 其作用方向和转子偏心的方向一致。当物体表面存在磁场时，若磁力线与物体表 面相交，则分别产生垂直于物体表面的麦克斯韦力及与物体表面相切的洛仑兹 力。 2 2 无轴承异步电机悬浮原理 无轴承异步电机径向悬浮力的产生如图2 1 所示，悬浮绕组和转矩绕组两套 三相绕组叠绕在同一个定子槽内，其中的四极绕组形为转矩绕组，用来产生电 机转矩，实现电机旋转，另一套二极绕组形用来控制转子的径向位置，实现转 子悬浮，称为悬浮控制绕组。在转矩绕组和悬浮控制绕组中分别通入电流厶和厶， 则分别产生四极磁链畈和两极磁链。x ，y 代表互相垂直的转子位置控制坐 标轴。p 1 为转矩绕组的极对数，岛为悬浮力绕组的极对数，p 。= 2 ，p 2 = l 。有关 研究证明：只有当转矩控制绕组极对数与悬浮控制绕组极对数满足p 2 = p 1 且 9 江苏大学硕士学位论文 同步旋转角速度国= 劬时，才可能产生可控的径向悬浮力。当悬浮绕组没有 电流通过时，转矩绕组产生的四极磁场甄均匀对称分布，没有悬浮力产生；当 悬浮绕组职加入图2 1 所示电流，时，在气隙右侧产生的二极磁场的方向和 四极磁场甄一致，磁场叠加，从而产生沿x 正方向的径向悬浮力e ；在悬浮控 制绕组中通入反相电流，可产生沿x 反方向的径向力。同样的，要获得沿y 轴方 向的径向力可以通过在悬浮控制绕组中通入与垂直的电流获得。 定 转子 图2 1 径向悬浮力产生示意图 2 3 无轴承异步电机数学模型 为了简化分析，对无轴承异步电机先作如下假设： ( 1 ) 三相定子绕组和转子绕组在空间对称分布，电流产生的磁动势在气隙中正 弦分布，忽略其空间谐波； ( 2 ) 假定无轴承异步电机转矩绕组和悬浮控制绕组a 相绕组轴线方向重合，并 定义为劝向； ( 3 ) 忽略铁心磁阻和涡流损耗，整个磁路系统只考虑工作气隙的磁阻； ( 4 ) 各相绕组的自感和互感都是恒定的，即忽略磁饱和的影响； ( 5 ) 不考虑温度对电机参数的影响。 2 3 1 悬浮力数学模型 无轴承异步电机悬浮力是由麦克斯韦力和洛仑兹力在不同的方向的分量矢 量叠加而得到的。 1 洛仑兹力数学模型 1 0 江苏大学硕士学位论文 设电机定子铁心长度，定子内径，气隙感应分布率b ( 劝和定子圆周的电 流分布率彳( 劝，则作用于转子上的沿圆周单位长度的洛仑兹力为 鸩= 一彳( 劝b ( 纠，厂d 缈( 2 1 ) 式中妫空间向量角。 将上式沿圆周积分，得到沿x ，y 方向的洛仑兹力为 p 一擘纵烈妙h c 0 叫缈 ( 2 2 ) 【= 一r 石彳( 咖b ( 纠，s i n q 、 设电流和磁场均为正弦分布，对式( 2 2 ) 积分得到洛仑兹力公式为 鲁2 擎0 s _ - ( 2 3 ) i 毛= 巧s i n ( , t 一) 、7 式中当仍= p l + 1 时吒取正号，p 2 = p l - 1 时瓦取负号； 肋转矩绕组磁场初始相角；肭悬浮力控制绕组磁场初始相角； 巧：t c r _ 1 - a 一b ，五，台分别为电流密度和气隙感应分布率幅值。 - y 髯 么。 一周c 7 v o j- y f 一 然l 丸一旺y p 2 2 l + lp 2 = p l 1 图2 2 洛仑兹力向量图 根据电流和磁链的定义及矢量的点乘和叉乘原理，将式( 2 3 ) 用d ，g 旋转坐 标系下的分量表示： j 兀= 局( ：d 蜀d + 2 e 署- )( 2 4 ) l 矗= 局( ，2 q 墨d 一：d 蜀。) 、 式中下标“1 一、“2 分别对应转矩绕组和悬浮控制绕组； 下标“s ”、“， 分别对应定子和转子量； 霸d ，弼口为气隙磁链分量； 妇，如为悬浮力控制绕组电流分量； 江苏大学硕士学位论文 局= 参警，、分别为转矩绕组和悬浮力控制绕组每相串联有效匝数； 当仍= p l + l 时瓦取正号，p 2 = p 。- 1 时兄取负号。 2 麦克斯韦力数学模型 当转子处在电机定子的中心时，设铁心和气隙的磁导率为g f e 、肋，交界面 上的法向磁感应强度和切向磁场强度是峨、冠，由于磁力线进出铁心时基本垂直 于铁心表面，则日z0 。电机中铁心和气隙边界上单位面积的麦克斯韦力由下式 表示 吒= 必2 1 & d t o ( 研+ 玩研) = 丢 ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) ，作用在转子外表面面积微元d a = l r d o 上的麦克斯韦力为： 以2 等 ( 2 1 6 ) 不考虑齿槽效应和磁饱和，由转矩绕组( p l 对极) 和悬浮力控制绕组( p 2 对极) 在电机气隙中产生的合成磁密为 艿( 仍f ) = 骂c o s ( p l 伊一弼f 一) + 岛c o s ( 见妒一啦f 一力( 2 7 ) 将( 2 7 ) 式代入( 2 6 ) ，并对( 2 6 ) 式沿圆周积分得到麦克斯韦力为 p 2 印l + 1 ： 厶= 巴- c o s ( 2 一) ，= s i n ( 2 一) ( 2 8 ) p 2 印l - 1 ： ，眦= 巴c o s ( 2 - , u ) ，e 。三一s i n ( 2 一) ( 2 9 ) 巴：t c l - r b , b 2 ( 2 1 0 )_ 2 风 p 由公式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 得到图2 3 的麦克斯韦力向量图。 每相气隙磁链为： 墨。：稿彬：2 r l b _ _ a l w l ，。：缟：2 r b 2w 2 ( 2 1 1 ) p 、p t 三相绕组合成气隙磁链的空间向量幅值为 墨= 丢墨。，= 丢胂 ( 2 1 2 ) 气气 忽略悬浮力绕组在转子中产生的感应电流，则 1 2 江苏大学硕士学位论文 = 匕：2 ( 2 1 3 ) 式中三帕为悬浮力控制绕组互感；幻为悬浮力控制绕组电流。 将式( 2 1 1 ) ( 2 13 ) 代入( 2 10 ) 可得： 艺= 型1 8 挚 ( 2 1 4 )1 g j r r 7 根据矢量的点乘和叉乘原理，将公式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 用d ，g 旋转坐标系下的分 量表示为 落黜芏翟， l = 千以( ：。d 一：d 墨。) 一一7 其中如2 两x 瓦p l 丽p 2 l , 2 ，当扔= p t + 1 时兄取正号，p 2 = p l - 1 时兄取负号。 式( 2 1 5 ) 最p 为引入悬浮力控制绕组后，产生的可控悬浮力，为气隙中转矩绕 组气隙磁场与悬浮力控制绕组电流相互作用所产生的悬浮力。在保持气隙磁场恒 定条件下，其大小与悬浮力控制绕组的电流大小成正比。只要控制悬浮力绕组的 电流，就能控制作用在转子上的悬浮力。 jj ，髯 歹嘎 鼢多。 媳一应 e 7 嘉r 弓 j、y 了l f f毳西乙 缫 2 - a k p 2 = p l + 1p 2 = p l - 1 图2 3 麦克斯韦力向量图 当转子偏离了电机定子的中心，将引起电机磁通分布的不均匀，则麦克斯韦 合力就不为零，其作用方向和转子偏心的方向一致，指向气隙最小处，该力即为 不平衡磁拉力。 设9 0 是定转子中心重合时的平均气隙长度，p 是转子偏心位移，如图2 4 所 示。 江苏大学硕士学位论文 、 么瀹 巡钞。| 图2 4 转于偏心时气隙图 则气隙长度甙谚可表示为殉函数 g ( 纠= g o p c o s ( 口) = g o 1 - e c o s ( q - t r ) ( 2 1 6 ) 其中：三 g o 设定转子同心时的气隙磁密为 蜀( 仍f ) = 宣c o s ( p l 伊一c q t 一a ) ( 2 17 ) 那么当转子发生偏心时，气隙磁密以劝也是关于舶函数 b a q , , f ) = 器= 县( 仍f ) ( 1 + c o s 纠 = 宣c o s ( p ：p c q t - a ) ( 1 + e c o s q ) ：摩c 。s ( p 。伊一q f 一) + 委【c o s ( p 。+ 1 ) d p - c q t - u q 1 8 + 鲁 c 。s ( p 。1 ) 缈一q f 一】 利用公式( 2 8 ) ，作用在转子上的不平衡磁拉力为 只2 严2 丢阳删蝴 ：生岔p 2 g o 1 公式( 2 1 9 ) 的磁拉力公式并没考虑磁饱和、齿槽效应及电机结构等因数的影 响，实际的磁拉力要小得多，需要引入衰减因子七。一般无轴承异步电机取0 3 ， 这样一来实际作用在转子上的麦克斯韦力为 1 4 江苏大学硕士学位论文 兄= 七老鲆而 名“去郡 ( 2 2 1 ) 3 悬浮力数学模型 由图2 2 ，2 3 的洛仑兹力和麦克斯韦力的向量图可得，当见7 l + 1 时，洛仑 兹力和麦克斯韦力的方向相同，当见印l l 时，两力方向相反。为了在相同条件 下，产生的悬浮力更大，能更有效的控制转子的悬浮，一般采用见印l + 1 。 令f = 巴+ 巧为悬浮力可控分量则 只= 足( 2 d 彤d + i , 2 q 鬈，) ( 2 2 2 ) c = k ( ：，鬈d 一：d 鬈。) ( 2 2 3 ) 式中净岛，+ 函。 同时当转子发生偏心时，因气隙不均匀造成气隙磁场的不平衡会产生偏心磁 拉力，这是一种固有的麦克斯韦力，其表达式为 c = k , x ( 2 2 4 ) = k y ( 2 2 5 ) 舯丸甜篆船姚踟i j 度。 2 3 2 电机旋转部分的数学模型 转矩绕组电流( p l 对极) 产生的旋转磁场在转子上感应得到极对数为p l 的 电流，两者相互作用产生转矩。当采用鼠笼式转子时，悬浮力控制绕组电流( p 2 对极) 产生的旋转磁场也会在转子上感应得n p 2 对极的电流，同样能产生转矩。 此时，鼠笼式无轴承异步电机可看成两个极对数分别为p l ，见的电机来描述，两 个电机之间只存在机械耦合，整个无轴承异步电机的转矩为两个电机转矩相加而 成。但由于悬浮力控制绕组中电流相对较小，简化起见，可忽略它产生的转矩。 由此得到的电机磁链方程、转子电压方程及转矩方程可表示为【3 2 - s 4 1 磁链方程 鬈l = t 。+ l 。f ，。( 2 2 6 ) 江苏大学硕士学位论文 只l = 乙l ，+ l l ( 2 2 7 ) 转子电压方程 u l d = 耳1 f r ，d + p r l d 一( 鬈。+ l ，l + r l q ) ( 嘲一0 4 ) = 0 ( 2 2 8 ) v l g = 碍- f ，l 。+ p r - 。+ ( 鬈j + - ，- d ) ( q 一缉) = 0 ( 2 2 9 ) 转矩方程 t = p 。( t 。鬈j l s l d 鬈。) ( 2 3 0 ) 式中三所l 为转矩绕组互感；三r 1 ，为转矩绕组转子漏感；口1 为气隙磁场转速：， 转子转速；群l 转矩绕组转子电阻。 2 3 3 电机运动方程模型 设聊为转子质量，为转子转动惯量，死为负载转矩，艮，易分别为工，y 上外加干扰力分量，则电机运动方程如下 足+ 瓦一e = m 2 ( 2 3 1 ) 乃+ 易一e = 缈 ( 2 3 2 ) h = 丢警 ( 2 3 3 ) 根据公式( 2 31 ) 、( 2 3 2 ) 得到图2 5 的转予悬浮系统运动方程示意图。 图2 5 转子悬浮系统示意图 2 4 无轴承异步电机气隙磁场定向控制策略 无轴承异步电机的电磁转矩和悬浮力控制之间关于转矩绕组气隙磁场存在 耦合。因此，实现两个变量之间的解耦是无轴承异步电机稳定运行的前提，采用 磁场定向控制是实现两者解耦的有效方法。在电机控制中使用最广的磁场定向控 制可分为转差频率矢量控制( 间接矢量控制) 、转子磁场定向、定子磁场定向及气 隙磁场定向。其中转差频率矢量控制方法仅考虑转子磁通的稳态过程，动态性能 1 6 江苏大学硕士学位论文 差，但系统结构最简单；转子磁场定向控制简单且能做到完全解耦，但转子磁通 的检测和转差频率的计算受转子参数影响大，一定程度上影响了系统的性能；定 子磁场定向控制利用定子方程作磁通观测器，易于实现且不包含转子参数，加上 解耦控制后可达到相当好的动静态性能。气隙磁场定向控制方式复杂，需增加解 耦控制器，但通过控制器的设计可实现对气隙磁场的幅值和相位的精确观测。 2 4 1 无轴承异步电机气隙磁场定向控制 气隙磁场定向控制策略，以转矩绕组气隙磁场为控制对象，有效的 控制其大小与方向。 转矩绕组的气隙磁链可表示为 肛2 戆q 憎? ( 2 3 4 ) i ，= 乙。( 。+ r 。，) 、 转矩绕组采用气隙磁场定向控制，则有 肛2 ， ( 2 3 5 ) 【署。= o p 7 根据公式( 2 3 4 ) ，( 2 3 5 ) 有 也为 摩 ( 2 3 6 ) 将公式( 2 3 6 ) 代入( 2 ，2 8 ) ，( 2 2 9 ) n - i 得，转矩绕组电流的励磁分量0 l d 和转差率 悠：堡虹 l 鬈一z ：，0 。j 乙。1 “。 也= 南卜纠罢慨沁 其e e c o , = q 一哆；乃。一- l r l 母，为转子时间常数；t ml , u 。、，。 根据公式( 2 3 5 ) ，电磁转矩公式可表示为 z = p ，奶t 1 。 1 7 ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 江苏大学硕士学位论文 则 s l q - - 轰( 2 4 0 ) 公式( 2 3 7 ) ，( 2 3 8 ) ，( 2 4 0 ) 构成了转矩绕组气隙磁场定向控制的算法。 采用转矩绕组气隙磁链定向控制后，径向悬浮力的计算公式( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 可 简化为： e = k 0 ：d 鬈 ( 2 4 1 ) = k ：。彤 ( 2 4 2 ) 通过公式( 2 3 7 ) ，( 2 3 8 ) 和( 2 4 0 ) 可知，一旦实现了转矩绕组气隙磁场定向控制 ( 即奶等于常数) ，通