無軸承永磁同步電機參數(shù)設計與控制策略研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

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

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