毕业论文（设计）-无轴承开关磁阻电机基本研究和电磁力研究

1、刁工.手竽jingjiang college of jiangsu university本科毕业论无轴承开关磁阻电机基本研究和电磁力研究the basic and electromagnetic force research of bearinglessswitched reluctance motor学生学号：学生姓名：专业班级：j电气工程及其自动化指导教师姓名：指导教师职称：讲师无轴承开关磁阻电机基本研究和电磁力研究摘要：随着工业技术的发展，用电设备对拖动电机的要求不断提高，磁悬浮技术的运用 使高速和超高速屯机现已广泛应用于空间技术、密封泵、离心机和高速飞轮储能等领域利 用磁悬浮轴承和开关

2、磁阻电机定子结构的相似性，将两者集成化所构成的新型电机一无轴 承开关磁阻电机对于减少装置体积重里，提高设备性能有重要意义本文在消化和吸收国外的研究成杲基础上，论述了无轴承开关磁阻电机的工作原理， 并对电机的数学模型进行了详细的推导和分析。在此基础上，设计了无轴承开关磁阻电机 系统的主绕组功率变换器和悬浮绕组功率变换器、滞环屯路、驱动隔离屯路、ptd调节电 路、辅助电源和面板控制系统等，并完成了全部硬件部分的制作和调试，为后续的系统调 试打下了基础。关键词：无轴承开关磁阻电机 径向力 控制系统 电流滞环控制the basic and electromagnetic force research

3、of bearingless switched reluctance motorabstract： with the development of industrial technology, high speed and super high speed drives have found wide application in space technology, canned pump and high speed flywheel storage system, etc. the bearingless switched reluctance motor, which combines

4、the switched reluctance motor and magnetic bearings, will possibly reduce the volume as well as improve the performance of the driving systems.the principle of radial force generation was described and the mathematic model of the bearingless switched reluctance motor was derived in this thesis. then

5、, converters used in the bearingless switched reluctance motor system were discussed. because the current in main winding was unidirectional, dual-switch converter was chosen as the main winding converter. in the case of the radial force windings, which demand bidirectional current, half-bridge conv

6、erter was chosen. both converters were designed and manufactured. moreover, assistant circuits (including the driving circuit, the safeguard circuit, the hysteresis current circuit, the p1d circuit, the assistant power supply) and the control panel system were designed, and the principles of operati

7、on of these circuits was introduced in detail. at last, all hardware circuits were debugged. the test waveforms were shown.keywords： bearingless switched reluctance motor radial force control systems hysteresis current control摘要2abstract3目录4第1章绪论61.1 无轴承电机的研究背景61.2本课题的研究意义和研究现状71.3 本论文的主要内容7第2章无轴承开关

8、磁阻电机的基本原理82.1 开关磁阻电机92.2磁车血承原理102.3无轴承开关磁阻电机基本原理1()2.3.1无轴承开关磁阻电机系统的构成102.3.2无轴承开关磁阻电动机原理13第3章无轴承开关磁阻电机的电磁力数学模型153.1无轴承开关磁阻电机转子角度的零度定义153.2关丁一体化模型的讨论153.3 一体化模型的推导过程16第4章无轴承开关磁阻电机的基本结构234.1磁轴承支承的开关磁阻电机基本结构234.2无轴承开关磁阻电机可实现的基本结构分析24第5章无轴承开关磁阻电机系统的实践28 1" i *) b-5.1.1 丿磁阻电 l 的 j' 九-5.1.2无轴承开关

9、磁阻电机的研究295 2扌'；制系的硬件部分孔521 dsp 系统315.2.2 d/a转换模块315.2.3 转子径向力检测模块325.2.4逻辑处理模块325.2.5过压过流保护模块325.2.6 转子角度传感器325.3控制系统的软件部分325.3.1控制系统的软件流程335.3.2测速问题讨论36第6章总结和展望39致谢41参考文献42第1章绪论木章首先讲述了无轴承电机的研究背景，说明了木课题研究意义和国内外的研究现 状，最后简要介绍了本论文的主要研究内容。1.1无轴承电机的研究背景现代化工业生产对拖动屯机的性能要求越來越高，其中一个明显特征是高速电机和超 高速电机日益广泛地应

10、用于高速机床、离心机、压缩机、飞轮储能以及涡轮分子泵等工业 设备中，用机械轴承支撑时，由转子高速运行带来的摩擦阻力增加，使轴承磨损加剧，缩 短轴承和电机的使用寿命，也增加了对电机和轴承维护的负担。为了克服机械轴承性能的不足，高速电机一般采用气浮、液浮和磁浮轴承。其中气浮 和液浮轴承均需要配备专门的气压、液压系统，这不仅使电机的结构复杂、体积庞大、耗 能多、效率低，同吋气压、液压系统的故障会使气浮、液浮轴承失效，从而导致电机无法 正常运行，这同样降低了电机和系统的可靠性。近二i 年来发展起来的磁轴承具有无摩擦、 无濟损、不需润滑和密封、高速度、高精度、长寿命等一系列优良特性，因而从根本上改 变了

11、传统的支撑形式，在能源交通、机械加工工业、航空航天及机器人等高科技领域得到 了广泛的应用。但是磁轴承占有独立的轴向空间，使得磁轴承电机的轴向利用率较低，而磁轴承结构 和交流电机定子结构具有一定的相似性，如果把磁轴承中的悬浮绕组叠绕在电机定子绕组 上，使两种磁场合成一体，且能同时独立控制电机转子的悬浮和旋转是最为理想的，无轴 承电机止是基于这一设想而提出的。无轴承电机的概念最初是由r.bosch于80年代末提出1 ,在瑞士的j.bichsel实现了同步电机的无轴承技术之后2,无轴承电机的研究引起了广 泛的重视。口前瑞士、日木和美国等国家都大力支持开展这项研究工作。日木的a.chiba 等人对异步

12、电机的无轴承技术、永磁同步电机的无轴承技术、开关磁阻电机的无轴承技术 进行了研究3,5-7o瑞士的r.schob研究了异步电机的无轴承技术4和薄片状无轴承电机。 目前瑞士联邦工学院(eth)在这一研究领域中保持领先，已有一些成果转化为商品。与磁 轴承电机相比，无轴承电机有以下优点：1) 悬浮绕组缠绕在电机定子上，不占用额外的轴向空间，电机的轴向长度可设计得较 短，临界转速相对较高，因此在高速和超高速、小体积、长寿命的传动领域有应用优势。2) 轴向长度得到了充分利用，在轴向长度保持一定的条件下，其输出功率可大幅度提咼。3) 由于无磨损、无润滑等特点，可以用于超静、超洁净的场合下。在航空方面，航空

13、 电机的传速将有可能从根本上摆脱机械轴承因素的制约，而结构简单，维修更方便，合乎 未來全电飞机强生命力、低维修的发展耍求。4) 电能消耗相对较少，径向力控制系统的功耗只占电机功耗的2%5%。1.2本课题的研究意义和研究现状开关磁阻电机由丁传子上无绕组，结构简单、成本低、易于调速、维护方便等特点使 其非常适合于高速运行。开关磁阻电机的无轴頂技术不仅使其更高速方向发展有重耍意 义，而且冇望在减少开关磁阻电机目询的振动噪声和转矩脉动问题提出一种新的冇效的解 决方案。无轴承电动机的思想己经提出有一段时间，目前美国、瑞士、日本和徳国等儿个国家 正在大力资助这个项目的研究。无轴承开关磁阻电机的概念是hig

14、uchi教授最早在1989年 提出的8,后来日本的一部分学者进行了深入研究，从已发表的文献來看，只有口本成功 地实现了无轴承开关磁阻屯动机的稳定悬浮。打前国内南京航空航天大学和江苏理工大学 均在开展这方面的研究工作。但是到口前为止，国内还没有看到成功实现无轴承开关磁阻 电动机稳定悬浮的报道和相关文献。1.3本文主要内容本文主要内容如下：(1) 第一章为绪论部分，介绍了无轴承电机的研究背景，简单说明了木课题的研究意义 和国内外研究现状。(2) 第二章在开关磁阻电机和磁轴承技术基础上，介绍了无轴承开关磁阻电动机的组成 和基本原理。(3) 第三章详细论述了无轴承开关磁阻电动机一体化的数学模型。从等效

15、磁路推导出电 感公式，在此基础上，经过进一步分析得到了径向力和转矩的数学公式，并对此进行了相 关分析。(4) 第四章详细介绍了无轴承开关磁阻电机的可实现结构。(5) 第五章详细介绍了无轴承开关磁阻电动机对功率变换器的耍求及其设计方法。硬件 实现。包括驱动隔离电路、滞环电路、保护屯路、辅助屯源和控制面板等部分的功能及駛 件的组成和工作原理。(6) 第六章是对所做工作的总结以及今后研究的展望。第2章无轴承开关磁阻电机基本原理无轴承开关磁阻电机是在开关磁阻电机和磁轴承基础上发展起来的，是利用主绕组和 悬浮绕组形成的磁场相互作用产生的径向力实现转子轴悬浮的。下面在开关磁阻电机和磁 轴承基础上，来说明无

16、轴承开关磁阻电机的基本原理。2.1开关磁阻电机70年代末80年代初，英国leeds大学和nottingham大学深入研究了开关磁阻电动机 的基本原理、计算方法和运行特性，为开关磁阻电动机的迅速发展奠定了基础。开关磁阻调速电动机(简称srm)是由双凸极磁阻电机、功率变换电路、位置检测器和 控制调节单元等部分组成，基本框图如图21:图21开关磁阻调速电动机基本框图在开关磁阻电动机中，根据位置检测信号0,按一定逻辑控制功率变换器，使电动机 定子各绕组顺序通电，其所建立的磁场吸引转子旋转，将电能转换为机械能。开关磁阻屯 动机得到迅速应用，也得益于其以下特点：(1) 护方便，结构简单，定子采用凸极结构，

17、绕组为集中绕组，转子上无绕组。制造维 高速适应性好。(2) 损耗较小，效率较高。转了不存在励磁和转差损耗。由于其可控参数较多容易实现 高效优化。调速性能好，其用于运行控制的可调节变量多。当然开关磁阻电动机也存在振动和噪声问题，随着进一步地深入研究，其性能会得到逐步改善。2.2磁轴承原理磁轴承是利用磁场力使传子和定子之间没有任何机械接触的一种新型轴承。磁轴承按 照磁场产生性质的不同，有主动磁轴承(active)和被动磁轴乐(passive)z分。主动磁轴承 的磁场是主动可控的，被动磁轴承的磁场是不可控的。磁轴承的磁力口j出电磁铁提供，称 电磁轴承;也可由永久磁铁和电磁铁共同提供，称为混合磁轴承;

18、或由永久磁铁单独提供。 前两者称为主动磁轴承，而后者称为被动磁轴承。由于主动磁轴承性能明显地优于被动磁 轴承，在磁悬浮领域，应用最广泛的是主动磁轴承。图2-2磁轴承工作原理图图22所示是一个简单磁轴承的工作原理示意图。一个完整的磁轴承系统包括转子、 传感器、控制器、功率放大器、电磁铁等部分组成。位移传感器检测出转子偏离参考点的 位移，控制器将检测到的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控 制电流，控制电流在电磁铁中产生磁力从i佃使转子维持其悬浮位置不变。由传感器、控制 器和功率放大器的共同作用实现了磁轴承的悬浮控制，因此这几部分称为磁轴承的控制系 统。磁轴承悬浮系统的刚度、阻

19、尼以及稳定性出控制规律决定。刚度和阻尼可根据转子工 作技术要求进行调节，也可在运行中加以改变。2.3无轴承开关磁阻电机基本原理2.3.1无轴承开关磁阻电机系统的组成因为磁轴承中绕组结构和开关磁阻电动机中定子绕组结构均是凸极形式，如果将悬浮 绕组叠绕在电机的定子绕组上，利用电力电子技术和自动控制技术使英具备开关磁阻电机 和磁轴承的功能于一体，最为理想，无轴承开关磁阻电机便由此而來。无轴承开关磁阻屯机系统组成框图如图2-3所示。框图屮的磁阻电动机仍采用凸极结构，但绕组分为两类，一是主绕组用于产生旋转转 矩，二是悬浮绕组，其形成的磁场与主绕组形成的磁场相互叠加产生作用于电机转子轴上 的径向力，使电机

20、传子轴实现悬浮。图23无轴承开关磁阻电动机系统框图径向力绕组汕边图2-4无轴承开关磁阻电动机a相绕组结构图图2-4展示了无轴承开关磁阻电机的横向切面图。定子和转子是由硅钢片迭压而成凸 极形式。定子采用集中绕组，每个凸极上冇两套绕组，分别隶属于主绕组和悬浮绕组。转 子上无绕组，凸极结构。木课题所采用的磁阻电动机结构为定子有12个凸极，转子有8 个凸极。图2-4显示了无轴承开关磁阻电动机a相绕组的结构。主绕组和悬浮绕组均采用集屮 绕组结构。如图所示电机四个正对凸极上的主绕组串联而成一相主绕组，其屮的电流为爲， 串联顺序如图所示。悬浮绕组分为a（n逊）绕组和0（n®）绕组。&绕组是

21、ftlq方向两个正 对凸极上的悬浮绕组吊联而成。0绕组是由0方向两个止对凸极上的悬浮绕组串联而成。 它们的串联顺序及与主绕组的关系如图24所示。q绕组和0绕组的电流分别为爲和心。 b相、c相绕组和a相绕组结构相同，放在定子对应位置。q和0是以a相绕组为基准定 义的坐标系屮的两个垂直坐标轴。同样的可以b相和c相为基础，定义少轴和a轴，勺轴 和02轴。无轴承开关磁阻屯机系统中的功率变换器包括两部分，一是用于给主绕组供电的主绕 组变换器，其结构为普通开关磁阻电机的功率变换器，主电路为双开关型，总共有六个开 关管。变换器根据主绕组电流控制器的信号来控制各相主绕组开关管的开通或关断，使电 机旋转，输出转

22、矩。二是用于给悬浮绕组供电的悬浮绕组变换器，又包括两部分一&方向 悬浮绕组变换器和0方向悬浮绕组变换器，其电路结构为三相半桥式逆变器。它们分别根 据各口的电流控制器给出的信号来控制每相电流的大小和方向，从而使形成的控制磁场与 主绕组形成的磁场相互作用，产生可控径向力，实现传子轴的悬浮。由于无轴承开关磁阻电机在定了上叠绕了悬浮绕组，因此其控制系统比普通开关磁阻 电机要复杂。无轴承开关磁阻电机将主绕组和悬浮绕组实现解祸控制，径向力和转矩就口j 控。如图23所示，无轴承开关磁阻电机系统工作过程为首先通过光电传感器，测得转子 位置信号，然后由dsp计算出转速。实际转速和给定转速信号之差经过pi

23、调节可以得到 转矩。再由位移传感器得知转子轴的偏移量，这个偏移量经过pid调节得出所需的悬浮力。 知道了所需转矩和悬浮力值，就可计算出主绕组的开通角和电流的大小。由悬浮所需力的 大小和方向，以及主绕组开通角和电流的大小，再加上转子位置角，可以得出悬浮绕组屯 流的大小和方向，然后由悬浮绕组电流控制器去控制悬浮绕组的电流。2.3.2无轴承开关磁阻电动机原理旋转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。无轴承开关磁阻 电机悬浮主要是依靠麦克斯韦力。麦克斯韦力是磁路屮不同磁导率介质（铁心和空气）边界 上形成的磁张力（称为磁阻力），也称麦克斯韦力。图25展示了无轴承开关磁阻电机径向 力产生

24、的原理。为了说明方便，此处以a相为例，作如下规定:对称4个齿极上的一相主 绕组产生的磁通称为4极主绕组磁通，是主绕组电流编产生的，粗实线显示了4极磁场中 瞬时磁通在某一时刻的方向；对称2个齿极上的一相悬浮绕组产生的磁通称为2极悬浮绕 组磁通，是悬浮绕组的电流爲仇2）产生的。虚线显示了径向位置控制时2极磁场中憐时 磁通在某一时刻的方向。为了说明无轴承开关磁阻电动机的工作原理，下面介绍带冇负反馈环的转子径向位置 控制。此时主绕组通入电流为爲，如果转子朝以定子为中心的6z轴的负方向移动，则气隙 的磁通分布会变的不均匀。这将产生沿。轴负方向的径向力。为了平衡这个径向力，给悬 浮绕组。通入正向电流篇，它

25、将产生如一图15所示方向的2极悬浮绕组磁通。此时气隙 1的磁通密度将增加，这是因为2极悬浮绕组磁通（&悬浮绕组产生的磁通）的方向和4极 主绕组磁通（主绕组产生的磁通）的方向是一致的。与此相反，气隙2的磁通密度减小，因 为此时2极悬浮绕组磁通的方向和4极主绕组磁通的方向相反。这样迭加磁场就会在a方 向上产生一个作用于转子的径向电磁场力。另一方面，只耍在悬浮绕组a中通入一个负的电流爲就会产生一个a轴上的反方向的 径向力。此外，在另外一个悬浮绕组0中通入电流:注就可以在0方向上产生一个径向力。 因此，调节这两个方向上力的大小和方向，就可以在任何方向上产生径向力，并冃可以调 节其大小。空气隙2

26、空气隙1/通量4极电机主绕组通量2极电机主绕组图25径向力生成原理图上面的介绍是以a相为基础，此原理同样可应用于b相和c相。为了稳定控制b相和c相的径向力，需要在控制过程中做相应的坐标转换。第3章电磁力数学模型木章推导了无轴承开关磁阻电机径向力的表达式。主要口的是指出口前的数学模型虽 然在实践中己经得到验证，仍然存在一定局限，可以作为将来深入研究的一个方向。3.1无轴承开关磁阻电机转子角度的零度定义开始推导以前，首先需要说明，无轴承开关磁阻电机转子角度的零度定义在定、转子 齿轴线重合处，此吋电感为最大值，如图3-1 o下文屮出现的角度都是以无轴承开关磁阻 电机转子角度的零度为基准的。图中也标出

27、了超前角0”，定义为主绕组电流轴线超前零度位置的角度。由于木文只讨论电 动运行，故耳非负。图31无轴承开关磁阻电机转子角度的零度和超前角的定义3.2关于一体化模型的讨论首先要讨论的一个问题是:无轴承开关磁阻电机能否像无轴承异步电机、无轴承同步 电机-样，把径向力绕组和主绕组的控制分开，主绕组控制力矩，径向力绕组控制径向力? 文献6讨论了只能在带载条件下实现悬浮的无轴承开关磁阻电机系统的控制策略。整个系 统曲两个独立的部分构成:主绕组进行开关磁阻电机的速度控制，径向力绕组进行转子径 向位置控制。其思想是固定电流的开通、关断角，只在绕组电感的正转矩区维持电流导通。 空载时，由于所需的转矩为零，因此

28、主绕组电流也为零。由径向力产生的原理可知，失去 了偏置磁通，径向力也就无法产生了。且由径向力绕组产生的转矩未予以考虑，模型本身 不够精确。文献9在此基础上提出了开通、关断角可变的控制策略，空载情况下，通过调节开通、 关断角，让电流在绕组电感的正、负转矩区各导通一段吋间，维持平均转矩为零，瞬时转 矩不为零，因此空载时主绕组仍能起到偏置作用。所以，必须建立径向力绕组和主绕组一 体化的模型，以实现从空载到满载每一点的稳定悬浮运行。3.3 一体化模型的推导过程推导的思路是:首先通过有限元辅助分割磁场法得到磁导的解析式，然后用等效磁路 法得到以磁导表示的a相电感矩阵，将磁导的解析式代入电感矩阵，最后通过

29、虚位移法求 得径向力的解析式。这里先利用这一结论，只对a相加以讨论，并以下标a来表示某个变 量屈于a相。首先假设：1）不考虑磁路饱和；2）转子的位置偏移与气隙k度相比很小；3）不考虑漏磁通；4）忽略交链转了扼部的磁通；5）只在定、转子齿对齐的位置忽略边缘磁通，因为此时气隙很短。简要说明一下假设条件。转子的径向位置偏移与气隙长度相比很小是推导过程屮忽略 位置偏移高次项的必要条件;在假设条件4和5满足的条件下，可以把磁场的分布划分成 三个区域，其磁导分别用斥、p“ /v來表示。可以认为磁通路径为椭圆形，k是一个系数，依赖于转子位置0及气隙长度o k=时磁通 路径为i员i形。/为转了齿员i周表面上的

30、一点，得到磁路的平均长度为可把式（31）写成(3-2)由文献所作的有限元分析可知，丄和丄有近似线性关系, j其屮c=1.49把式(3-3)代入式(3-2)得it 71=c + j j 471(3-3)(3-4)d鬥的横截面面积可写为ds =h(dr + kdj2(3-5)式中力为转子轴向长度。此微元的磁导为鸥=处严(3-6)式中他为空气磁导率。把等式(32)(35)代入式(3-6),在等式两边都乘以可得刃日厂泌x力71 4c丄+龙(3-7)把式(37)写成71 act + 7lldt(3-8)定、转子极间的气隙磁导片可以写成“o防(3-9)由式(38)可以这样得到只(3-10)把式(38)代入

31、式(310)得到同理可得人(3-11)(3-12)(3-13)转子位于0寸，一个极下定、转子间气隙磁导为pa =ll.hr/ -0a厂u<12 “丿-十g7tin4cr0a + 礼、 弘>(3-14)表达式的第一项代表定、转了齿面相对处的磁导，占的比例比较大，第二项代表的则是定、 转了边缘磁通的磁导。式（2仅在0<z<iy有效。下面把转了偏心的情况考虑进去，则气隙的长度分别为人±&，人±0，代入（3-14）,得p = “0防(龙一 120 )(/()+&) +lnf 4g 仏 + a) + 观2、e 2冗12/()2p 二“（）防（龙

32、_120）（厶_0） 4“4c吆 仏0）5（p 二他防（兀_12£）仏_4）| 4“（*比 心一12/02兀4g 仏_q）+刃。2 加/, _“（）防（兀-120）（4）+0） 4心（4c吆仏+ 0） +况）八為= 莎< j(3-15)(3-16)(3-17)(3-18)n,”表示主绕组的匝数，皿表示径向力绕组的匝数，下标ma代表a相主绕组，sal代表a相。轴径向力绕组，sa2代表a相0轴径向力绕组。a相绕组的连接如图25所示，从图 小气隙1开始，逆时针方向依次把四个极下的气隙磁导编号为你巳4,可以将其画成a相 等效磁路图33。(3-19)(3-20)(3-21)(3-22)(

33、3-23)(3-24)(3-25)(3-26)图3-3 a相等效磁路由图3-3可以得到式（3-19h3-21）+ n i = + n i + n ipmabl salpmaiy blsa巧2匚1a， 才+ w mb严犷+叽+ nhisax 匚 3<?1彳o 1矿-n九-必心二寸+ nmima + n爲所有磁通总和为零，即如+%+%+%"从式（3（322）解出川“4肿书2號化2 + u ）爲+ m （巳2 + 2匕+坨几-m （巧2 -码j心；p rn叭2二步2九（匕+ <3 ）鳥+ m阿-弘）爲一必（匕+ pi3 + 2即九2 % =书2n,”（打2 + pak- nb（

34、2匕+巧2 +即九厂nb （巧2 -号4）心 叭4二字2號（你+马3）鳥+必（巧厂匕）打+ m化+ 2弘+匕）打其中p为匕巧4之和。再由图33,可以得到分别与主绕组、径向力绕组电流交链的磁链w啦=（川+“2 耗+.4 ）ma(3-27)(3-28)sal(3-29)将式(3-23)43-26) 别代入式(3-27)0-29)可得屮=4"”2(匕+鬥3)(匚2+巧4),| 2验皿(匕-鬥j(打2+為)ma pbmaplsal2心m(匕+/)(%-鬥丄psa-二 n/ 匕(巧2 + 2巧3 + 巧4 ) + / (2你 + 马2 + 巧4 ) j(3-30)屮 _sq 1psa 1.2n

35、”凡化厂乙）（巧2 +乙）；”/（鬥厂巧3）（弘-即）：+lmaha 2mn/马2（匕+弘+ 2即）+ 0匕+2弘+匕）.屮"=1sa2psa2_2忖"皿)(*3川37)亿一叫p因此电感的表达式为mama（匕+打2）（打3 +岛）(3-31)(3-32)(3-33)sin： 匕(<2 + 2你 + 即)+ p心(2匕 + <2 + 為)p(3-34)t _ n化2 (你 + p心 + 2乙)+ pa4 (匕 + 2鬥2 + 乙) 乙皿2(3-35)2nn（匕-巧2）（巳3 +心）(3-36)_ 2心皿（匕+弘）（2-即）（口,皿2）(3-37)m _ n/(匕-

36、匕3)(弘-即)lvl(sa.sai) _将式(3 (318)代入式(333)(3-38)可得lma = 2njfsa 1m严+穿m(lna,sa2)=nlnnb电感矩阵可以写成磁场储能可以写成l6/n71“。防(兀_120j | 8“訥比6zn71'“°防(龙_120)| 8“。/?山|714c 也（/（）+ +况）2 丫防（兀_12£）# | 8他力口（%吃仏+ 0） +加j、m 门maysa2)71m（叫讪厶al(ml,m2)sa径向力可以由磁场储能对位移求偏导得到f=ll = nn卩d/34g/（）+ 加（jm( 九(nui,sa2)(sa,sa2)厶“2m

37、a心厶li“()/"(”_ 120) |6/0271"o防(龙 _120)|67j)sa 232&hc©.(4g仏+a) +加.j广32/jhcroa.(4g仏+0) +矶j严ma sal(3-39)(3-40)(3-41)(3-42)(3-43)(3-44)(3-45)(3-46)(3-47)(3-48)定义k/二厶二丄，可以看出径向力与主绕组电流和径向力绕组电流的积成正比，比 'lli ilm（rsa lm（rsa2例系数为k/。因此主绕组电流一定时，可以通过控制径向力绕组电流来控制径向力。第4章磁悬浮开关磁阻电机的基本结构4.1磁轴承支承的开

38、关磁阻电机基本结构电机是由定子和转子组成，定子和转子之间通过机械轴承支承必存在机械接触，因此 转子运动过程屮存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力，使运动部件磨损产 生机械振动和噪咅，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，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。高速电机一般采用气浮、液浮或磁悬浮轴承，其中气浮和液浮轴承均需要专门相配的 气压、液压系统，使屯机的结构复杂，能耗大，效率低。磁轴承具有无需润滑、无磨损、 无机械噪芦和结构简单等特点，在高速

39、电机领域获得了应用。为了适应高速、超高速电机 应用的需要，近20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z间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，由于磁轴承具有无摩擦、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21所示（只考虑径向的悬浮）。传感器检测到转了的偏心，控制器根据设定的控 制算法计算岀需要的控制电流，通过功率变换器，调整绕组电流，从而调整电磁力的大小,实现转子位置的调整。铁芯和绕组iiiiii 删【iiiwnmiiwwyn

40、innnni miiiiiiiii nnnniglii q【ii腓®nimiii恥 a轴向推力磁轴承、径向磁轴承电机i細12底轴広支冷的电机结构图42是利用磁悬浮轴承支承的开关磁阻电机结构示意图。从该图可以看出，要实现 转子的完全悬浮，共需要在5个自由度上施加控制力，即需要2个径向磁轴承产生径向的 悬浮力在径向支承转子，一个轴向磁轴承对轴向进行准确定位。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。由磁轴承支承的sr电机虽然具有很 高的转速及无润滑、无摩擦、无机械噪声等突出优点，但在不同的领域依然存在如下问题:1.电机的输出功率难以进一步提高，为了提高电机的输

41、出功率，电机的轴向长度和 径向尺寸必须要随z加大。由于磁轴承在轴向和径向都占冇很大一部分体积，又为了在高 速时能避开转了的临界转速，只能尽量控制电机木身的轴向长度，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受到电磁体材料机械强度的限制，难以得到进一 步提高。2磁轴承需要一定数量的励磁线圈、高品质的控制器、高性能的功率放大器和多个 价格不菲的位移传感器等，导致磁轴承结构复杂、体积较大和成本较高，影响磁悬浮开关 磁阻电机的使用范围。4.2磁悬浮开关磁阻电机可实现的基本结构分析为了克服41中磁轴承支承的sr电机的缺陷，人们开始了对磁悬浮开关磁阻电机进 行研究。所谓磁悬浮开关磁阻电机，并

42、不是说不需要轴承，而是不需耍设计专门的轴承来 支承转了，利用磁轴承机构与普通sr电机定了结构的相似性，把磁轴承产生径向力的绕 组（悬浮力绕组）叠压到开关磁阻电机的定子绕组上，使悬浮力绕组产生的磁场和屯机定 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旋转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。为了产生可控的径向力，磁悬浮开关磁阻电机定子上的转矩绕组和悬浮力绕组必须具 备确定的极数关系。如果转矩绕组的极数为2p极，则悬浮力绕组的极数应该是2p+2或2p-2 极。为了形象的说明这种对应关系，我们可以将一台磁悬浮开关磁阻电机等效为共用一个 转子

43、的两台电机，其屮一台由转短绕组和转子组成，被称为转矩电机；而另一台由悬浮力 绕组与转子组成，称为悬浮力控制电机。图43为将一台磁悬浮开关磁阻电机等效为两台 电机的示意图。图43磁悬浮开关磁阻电机等效为两台电机示意图磁悬浮开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，还冇槊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。本节 将结合开关磁阻电动机自身的特点，提出几种磁悬浮开关磁阻电机的基木结构。轴向推力磁轴承电机+径向磁轴承图44磁悬浮开关磁阻电机的结构图（a）图牛4所示结构的磁悬浮开关电机系统采用两个绕组独立的开关磁阻电机及具控制 器。该结构的推力轴承

44、放置在电机的中部位置，在转子轴的两端采用了独立的两个自出度 磁悬浮开关磁阻电机结构。这样可以进行独立控制两端电机的绕组电流而实现径向力大小 的调节，抗干扰性较好。特别是在冇外加负载的时候，容易实现转子轴的稳定悬浮，闭环 性能较好，目而被普遍采用。缺点是需要两套完全相同的控制器，逆变器及其传感器等， 代价较高。电机+径向磁轴承轴向推力磁轴承图45磁悬浮开关磁阻电机的结构图（b）图45这种结构看似与图44的结构相似，但产生旋转转矩的两套绕组并不独立，而 是一体的；只有产生径向悬浮力的绕组是相互独立的，才叮以单独控制。这样一方面带来 的好处是可以缩短轴向长度，提高临界转速，减少逆变器及其传感器的个数

45、，降低成本； 另一方面也使得悬浮力和旋转力之间的解耦变得更加复杂，同时由于它的轴向推力磁轴承放在一端，因此抗干扰性较差。电机+径向卜轴承ijn轴向推力磁轴承图46磁悬浮开关磁阻电机的结构图（c）图46所示磁悬浮开关磁阻电机系统只冇一套磁悬浮开关磁阻电机结构，在转子的一 端采用磁悬浮推力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 浮力绕组，其优点是整体结构比较简单，轴向长度较短，可以做到很高的临界转速；但另 一方而由于只有一套径向悬浮力绕组使得传轴径向方向很难控制，特别是在冇外加负载的 时候不易稳定。电机+径向磁轴承图47磁悬浮开关磁阻屯机的结构图（d）推力轴承推力轴承/ia

46、转子v永磁铁图永磁铁轴向推力磁轴承图47这种结构的磁悬浮电机的轴向悬浮固定rfl对永磁铁轴向推力磁轴承构成，永 磁推力磁轴承由定了推力盘和转了推力盘组成。二者均为非铁磁性岡盘，在推力盘上镶嵌 有环形钱铁硼高磁场永磁铁，永磁铁钧沿轴向磁化。其结构如图42所示，该种磁轴承转 子和定子均是由永磁铁构成，属于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，其工作原理见第四章。此种结构可以有效地实现转轴 轴向位置的稳定悬浮，缺点是转了过长，影响临界转速的捉高。第5章无轴承开关磁阻电机系统的实

47、践木章具体讨论控制系统的实现方案，包括硬件部分和软件部分。硬件部分介绍了电机 本体的设计及控制系统的硕件组成。软件部分阐述了软件流程，讨论了程序编制中儿个需 要给予特别关注的问题，就久和沐 优化值表格的求取作了补充。最后，展望了可编程逻 辑器件在数字控制系统中的应用前景。5.1电机本体的设计 5.1.1开关磁阻电机的设计开关磁阻电机的设计步骤如下10：第一步，确定极数、相数和极弧。开关磁阻电机的平均电磁转矩取决于一个工作周期内，对齐位置和不对齐位置磁化曲线之间的鸭轨迹所包含的磁场储能面积。如果能减小每相绕组的最小电感，就可以提高电机的输出转矩。对步进电机的研究表明，从提高电机输击转矩的角度看，

48、应尽量减小各 相绕组间的互感。此外，电机在任何转子位置下都具有正、反方向的自起动能力，这就要 求相数满足：(5-1)lcm(ns,nj = qxnlcm(n、nj>ns>nr其lcm表示最小公倍数，m为定子极数，m为转子极数，g为相数。要求mm,是从最小化各相绕组开关频率的角度出发的。极弧则要满足:/3s + /3r 52jinr(5-2)其中風为定了极弧，0,为转了极弧。第二步，考虑转矩波动、电磁负荷，确定主要尺寸。对矩角静特性的研究表明，转了直径以及轴向长度增大都有利于提高电机的输出转 矩，但也导致转矩波动系数增大。气隙总体上对转矩波动影响不大。定子铁心外径的增大 不仅有利于输

49、出转矩的提高，而且可降低电流峰值，较大程度减小转矩波动。在考虑电磁 负荷的时候，由于电机的双凸极结构，应从等效的意义上去看待其电磁负荷。对于中小型 开关磁阻电机，电负荷a的取值范围为a = 15000-50000/1/m磁负荷bs的取值范围为:(5-3)0.29 0.557(8/6)10.36-0.627(6/4)5.1.2无轴承开关磁阻电机本体的设计表51文献样机与实验样机参数主绕组匝数nm （。3根并绕）14匝22匝径向力绕组匝数m （0.8加加0, 2根并绕1.01mm2）11匝18匝定、转子极弧变15度轴向长度力50 mm95 mm定子铁心外径100 mm145 mm定了扼部直径130

50、m/n定子铁心内径50 mm77 mm转子极半径厂24.78 mm38.25 mm转子扼部宜径46 mm转轴直径平均气隙长度a）0.22 mm0.25 mm文献11己经给岀了所有重要的电机参数，如表51第二列所示，考虑到文献并未给出 完整的参数，月现冇的是型号为ys90l2电机的机壳（英定子冲片外径达145 mm）,与文献所 给出的定了铁心外径相茅较大，故在文献基础上，对电机重新进行了设计。极数、相数和 极弧保持不变，补全了文献未提供的几个参数，同时对其他参数根据机壳尺寸作了相应调 整。首先，根据现有机壳确定电机轴向长度和定子铁心外径。其次，确定定子铁心内径、转轴直径和平均气隙长度。鉴于异步电

51、机己形成成熟的产 品体系，参数都经过了优化设计，我们在设计无轴承开关磁阻电机时，充分借鉴了其几何 参数12,13。定、转子轨部直径的选取依据是定、转子轨部厚度人约分别为定、转子齿宽的一半。绕组所用的导线线规和并绕数与文献相同，考虑到实验样机机壳比文献样机大，匝数 选得略大。定了极间窗i面积为436.78伽2,每槽导体净截面积为102.54/mn2.不考虑导线 绝缘层、槽楔、绕组间绝缘时，槽满率为0.23。下面来校验电磁负荷，所用公式出自文献11。需要说明的是，由于开关磁阻电机磁 路复杂，工作状态与控制方式有很大的关系，口无轴承开关磁阻电机乂有其本身的特点， 这里的校验只是等效意义上的，没冇作十

52、分精确的计算。首先计算电负荷a =鑒（s4）其屮nm是每相串联匝数，这里采取了一些等效，每相串联匝数认为是主绕组匝数与径向力绕组匝数之和，/为电流有效值，取8.66 a ,几是转子外径。可得电负荷为4296a/m ,是比较低的。磁负荷的表达式为= 0.805 ft.(5-5)tr其中伤“为定子磁极的极身宽度，"为转子极距，易$为定子磁极平均磁通密度，取伤为 1.623t时，可得 & 为0.4355t。又由门3.04nw(5-6)bs =tlnphdui 5其中久为导通宽度，根据导通规律，为15度，即0.262md。t/为90v。为转速，定 为4500rmp o这里考虑的是当一

53、个极上的磁通方向相同的情况，可以认为每相串联匝数是 主绕组匝数与径向力绕组匝数z和。若二者方向相反，贝i这个极上的磁通小于方向相同时 的计算值,可得bs = 0.435it ,与预取的值一致。5.2控制系统的硬件部分本文所采用的以tms320lf2407a为核心的控制系统硬件部分如图52所示。lf2407a的主频为40m,尽管速度不算太高，为了保证数字控制系统可靠、正确地工作， 在pcb布线时仍然要特别注意“地”的问题，除了众所周知的数字地与模拟地分开，只在一点连接外，还要注意dsp芯片冇很多个地线引脚，这样的管脚设计保证了每个信号离地 更近，减小了信号线间的互感，若把这些引脚直接相连就起不到

54、这个作用了。高速数字电 路设计方面详细的讨论可参考文献14。图52控制系统的硬件组成5.2.1 dsp 系统tms320lf2407a片内有32k字的flash程序存储器，1.5k字的数据/程序ram,544字 的daram,2k字的saram。可扩展的外部存储器总共192k字，其中程序存储器、数据存 储器、i/o寻址空间各64k字。调试程序时可将程序载入ram,这比将程序固化在flash存储器中更方便快捷，而且 调试程序时可以方便地设置断点。值得一捉的是，反复烧写flash会造成flash个别单元 的损坏，这会降低控制系统的可靠性。可以待调试工作完成后再将程序烧入flash。这一部分也包括了 a/d转换接口和捕获单元,a/d转换接口用來将径向力给定信号转化 为数字量：捕获单元用来检测转子角度位置，所得结果也供测速使用。5.2.2 d/a转换模块采用了max7847o max7847是双通道，12位并行，电压输出d/a芯片，±12y或±15y 供电，所冇的逻辑信号为ttl和cmos兼容的电平触发。用來将主绕组电流