無(wú)軸承永磁同步電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)及抑制振動(dòng)控制研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力的迅猛發(fā)展，諸如精密數(shù)控機(jī)床、特種機(jī)器人、IC制造裝備、低碳新能源、高速飛行器、渦輪分子泵、離心機(jī)等裝備對(duì)高速或超高速電機(jī)有著迫切需求。高速電機(jī)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如:(1)電機(jī)體積小，原材料少，功率密度高，效率高;(2)可取消傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減小了傳動(dòng)損耗，噪音小;(3)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。高速電機(jī)在特種傳動(dòng)、高速直驅(qū)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，正成為國(guó)際電氣工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在高速運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)

2、子對(duì)機(jī)械軸承振動(dòng)沖擊大，使得軸承發(fā)熱和磨損嚴(yán)重，大幅度縮短了電機(jī)與軸承的使用壽命。磁懸浮軸承能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子無(wú)摩擦、無(wú)磨損運(yùn)行，但是由磁懸浮軸承支承的高速電機(jī)軸向長(zhǎng)度長(zhǎng)、臨界轉(zhuǎn)速低，由磁懸浮軸承支承的高速電機(jī)難以突破轉(zhuǎn)速和功率的限制，同時(shí)需采用多個(gè)磁軸承單元組成高速電機(jī)系統(tǒng)，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大。而無(wú)軸承永磁同步電機(jī)結(jié)合了永磁同步電機(jī)和磁軸承的優(yōu)點(diǎn)，在產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，還產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子懸浮的徑向懸浮力，可實(shí)現(xiàn)更大功率和更高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在高

3、速傳動(dòng)領(lǐng)域具有重大的研究和應(yīng)用價(jià)值。
　　 在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2007AA04Z213)和國(guó)家自然科學(xué)基金(60974053)等基金的資助下，為了解決無(wú)軸承永磁同步電機(jī)應(yīng)用于高速直接驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的技術(shù)難題，以實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承永磁同步電機(jī)高速運(yùn)行為目標(biāo)，對(duì)無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、永磁轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子渦流損耗模型的建立與極對(duì)數(shù)優(yōu)化、轉(zhuǎn)子自適應(yīng)抑制振動(dòng)控制方法和無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究。主要研究

4、工作及成果如下:
　　 (1)分析了無(wú)軸承永磁同步電機(jī)中的麥克斯韋力和洛倫茲力，研究了懸浮機(jī)理，推導(dǎo)出產(chǎn)生穩(wěn)定可控任意方向徑向懸浮力條件，考慮轉(zhuǎn)子偏心，采用解析法建立了懸浮力與轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型。
　　 (2)提出了無(wú)軸承永磁同步電機(jī)瞬態(tài)參數(shù)化有限元分析方法。建立了無(wú)軸承永磁同步電機(jī)瞬態(tài)有限元分析模型，對(duì)定子兩套繞組施加頻率和相位可調(diào)的外部電流源，設(shè)定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，驗(yàn)證了無(wú)軸承永磁同步電機(jī)懸浮機(jī)理;計(jì)算了兩套繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)

5、矩和徑向懸浮力。
　　 (3)提出了永磁轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。根據(jù)材料力學(xué)和彈性力學(xué)理論，建立了面貼式永磁轉(zhuǎn)子護(hù)套過(guò)盈配合量與最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型;對(duì)深埋式永磁轉(zhuǎn)子，提出了計(jì)算轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的等效環(huán)法。基于接觸有限元法，仿真研究驗(yàn)證了永磁轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的正確性。
　　 (4)提出了無(wú)軸承永磁同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)和繞組極對(duì)數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。建立了永磁轉(zhuǎn)子渦流損耗模型，對(duì)永磁體磁化模式開(kāi)展研究，以降低氣隙磁場(chǎng)諧波為

6、目標(biāo)，對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化;研究對(duì)比了具有不同定子兩套繞組極對(duì)數(shù)的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗。采用耦合電路瞬態(tài)有限元驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　 (5)提出了基于多頻率跟蹤算法的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子自適應(yīng)抑制振動(dòng)控制策略。為了提高振動(dòng)信號(hào)頻率辨識(shí)精度，在分析了轉(zhuǎn)子振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了基于多頻率跟蹤算法的無(wú)軸承永磁同步電機(jī)自適應(yīng)抑制振動(dòng)控制策略;建立了轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率的多頻率跟蹤算法，并分析其穩(wěn)定性。構(gòu)建了基于轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率在