無軸承永磁同步電機(jī)參數(shù)設(shè)計與控制策略研究.pdf

1、無軸承永磁同步電機(jī)(Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor,BPMSM)是在永磁同步電機(jī)基礎(chǔ)上，將產(chǎn)生徑向懸浮力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的兩套繞組疊壓在一起，使電機(jī)同時具有旋轉(zhuǎn)和自懸浮功能。BPMSM不僅具有普通永磁同步電機(jī)效率高、功率因數(shù)高、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且具有無機(jī)械接觸、無磨損、無需潤滑、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用于高速硬盤、飛輪儲能、人造衛(wèi)星、飛行器陀螺系統(tǒng)等領(lǐng)域，目前已經(jīng)成為特種驅(qū)動

2、/傳動領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
　　本文在國家863項目(2007AA04Z213)、江蘇省“333工程”資助項目(2014)和江蘇高校新能源汽車優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(2014)的資助下，對BPMSM的運(yùn)行機(jī)理、精確數(shù)學(xué)模型、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、電磁性能分析、閉環(huán)控制策略、數(shù)字控制系統(tǒng)等方面開展研究。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了BPMSM的綜合實(shí)驗(yàn)平臺并開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了方法和結(jié)論的正確性。論文的主要研究工作概略如下：
　　1.分析了

3、BPMSM的運(yùn)行機(jī)理，建立了BPMSM的數(shù)學(xué)模型。分析了BPMSM的內(nèi)部磁場和電流分布，研究了BPMSM的麥克斯韋力和洛倫茲力，闡述了BPMSM的徑向懸浮力產(chǎn)生機(jī)理；基于電磁場理論，綜合考慮麥克斯韋力、轉(zhuǎn)子偏心以及洛倫茲力，建立了徑向懸浮力的數(shù)學(xué)模型；基于靜止機(jī)械坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)電氣坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，推導(dǎo)BPMSM磁鏈方程，給出電壓、電磁轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動學(xué)方程，建立了BPMSM的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。
　　2.提出了旋轉(zhuǎn)繞組電流概念，證明了BPMSM穩(wěn)定懸

4、浮的充分必要條件，為BPMSM設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。針對BPMSM兩套繞組磁勢存在相對運(yùn)動而導(dǎo)致磁路復(fù)雜，利用解析方法分析徑向懸浮力穩(wěn)定性非常困難這一難題，提出旋轉(zhuǎn)繞組電流的概念，把復(fù)雜的電磁關(guān)系簡化成直觀的旋轉(zhuǎn)繞組電流，證明了BPMSM穩(wěn)定懸浮力產(chǎn)生的充要條件：
　?、俎D(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)和懸浮力繞組極對數(shù)需滿足B M1p?p?的關(guān)系；
　　②通入轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組電流的頻率必須相同。
　　3.設(shè)計了BPMSM樣機(jī)主要參數(shù)，

5、并對定子繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計了電機(jī)的主要參數(shù)，確定轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)；針對高次諧波問題，優(yōu)化設(shè)計BPMSM的定子繞組，把短距結(jié)構(gòu)應(yīng)用到轉(zhuǎn)矩繞組，有效降低了電機(jī)高次諧波；建立了BPMSM的有限元仿真模型，分析了樣機(jī)內(nèi)部磁場、永磁磁鏈、反電動勢、繞組電感、徑向懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩，驗(yàn)證了設(shè)計方案的正確性與優(yōu)化設(shè)計的有效性。
　　4.提出了BPMSM的直接控制策略，設(shè)計了BPMSM的閉環(huán)控制系統(tǒng)。針對磁場定向控制對電機(jī)參數(shù)依賴性強(qiáng)、轉(zhuǎn)子徑向

6、懸浮力開環(huán)不穩(wěn)定等難題，設(shè)計了BPMSM的直接控制策略；基于電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)分別設(shè)計了轉(zhuǎn)矩和懸浮力的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接控制而外環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，懸浮力控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對懸浮力的直接控制而外環(huán)實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位移的直接控制。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制策略實(shí)現(xiàn)了兩套系統(tǒng)的有效解耦，而且具有良好的靜、動態(tài)性能。
　　5.設(shè)計了BPMSM的實(shí)驗(yàn)平臺及相關(guān)的軟硬件系統(tǒng)，開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計了B