無軸承永磁同步電機參數(shù)設計與控制策略研究.pdf

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

2、/傳動領域的研究熱點之一。
　　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)勢學科建設工程項目(2014)的資助下，對BPMSM的運行機理、精確數(shù)學模型、參數(shù)優(yōu)化設計、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。在此基礎上，設計了BPMSM的綜合實驗平臺并開展了相關的實驗研究，驗證了方法和結論的正確性。論文的主要研究工作概略如下：
　　1.分析了

3、BPMSM的運行機理，建立了BPMSM的數(shù)學模型。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)生機理；基于電磁場理論，綜合考慮麥克斯韋力、轉子偏心以及洛倫茲力，建立了徑向懸浮力的數(shù)學模型；基于靜止機械坐標和旋轉電氣坐標轉換，推導BPMSM磁鏈方程，給出電壓、電磁轉矩和運動學方程，建立了BPMSM的動力學數(shù)學模型。
　　2.提出了旋轉繞組電流概念，證明了BPMSM穩(wěn)定懸

4、浮的充分必要條件，為BPMSM設計提供理論基礎。針對BPMSM兩套繞組磁勢存在相對運動而導致磁路復雜，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，提出旋轉繞組電流的概念，把復雜的電磁關系簡化成直觀的旋轉繞組電流，證明了BPMSM穩(wěn)定懸浮力產(chǎn)生的充要條件：
　?、俎D矩繞組極對數(shù)和懸浮力繞組極對數(shù)需滿足B M1p?p?的關系；
　?、谕ㄈ朕D矩繞組和懸浮力繞組電流的頻率必須相同。
　　3.設計了BPMSM樣機主要參數(shù)，

5、并對定子繞組結構進行了優(yōu)化。設計了電機的主要參數(shù)，確定轉子永磁體結構；針對高次諧波問題，優(yōu)化設計BPMSM的定子繞組，把短距結構應用到轉矩繞組，有效降低了電機高次諧波；建立了BPMSM的有限元仿真模型，分析了樣機內(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矩，驗證了設計方案的正確性與優(yōu)化設計的有效性。
　　4.提出了BPMSM的直接控制策略，設計了BPMSM的閉環(huán)控制系統(tǒng)。針對磁場定向控制對電機參數(shù)依賴性強、轉子徑向

6、懸浮力開環(huán)不穩(wěn)定等難題，設計了BPMSM的直接控制策略；基于電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)分別設計了轉矩和懸浮力的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，轉矩控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對轉矩和磁鏈的直接控制而外環(huán)實現(xiàn)轉速負反饋，懸浮力控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對懸浮力的直接控制而外環(huán)實現(xiàn)對轉子位移的直接控制。仿真實驗結果表明該控制策略實現(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.設計了BPMSM的實驗平臺及相關的軟硬件系統(tǒng)，開展相關的實驗研究。設計了B