無軸承永磁同步電機參數設計及抑制振動控制研究.pdf

1、隨著科學技術與生產力的迅猛發(fā)展，諸如精密數控機床、特種機器人、IC制造裝備、低碳新能源、高速飛行器、渦輪分子泵、離心機等裝備對高速或超高速電機有著迫切需求。高速電機具有一系列優(yōu)點，如:(1)電機體積小，原材料少，功率密度高，效率高;(2)可取消傳動機構，直接驅動負載，減小了傳動損耗，噪音小;(3)轉子轉動慣量小，動態(tài)響應速度快。高速電機在特種傳動、高速直驅領域具有廣闊的應用前景，正成為國際電氣工程領域的研究熱點。在高速運行狀態(tài)下，電機轉

2、子對機械軸承振動沖擊大，使得軸承發(fā)熱和磨損嚴重，大幅度縮短了電機與軸承的使用壽命。磁懸浮軸承能夠實現轉子無摩擦、無磨損運行，但是由磁懸浮軸承支承的高速電機軸向長度長、臨界轉速低，由磁懸浮軸承支承的高速電機難以突破轉速和功率的限制，同時需采用多個磁軸承單元組成高速電機系統(tǒng)，造成系統(tǒng)結構復雜、體積龐大。而無軸承永磁同步電機結合了永磁同步電機和磁軸承的優(yōu)點，在產生電磁轉矩的同時，還產生使轉子懸浮的徑向懸浮力，可實現更大功率和更高轉速運行，在高

3、速傳動領域具有重大的研究和應用價值。
　　 在國家高技術研究發(fā)展計劃(2007AA04Z213)和國家自然科學基金(60974053)等基金的資助下，為了解決無軸承永磁同步電機應用于高速直接驅動領域的技術難題，以實現無軸承永磁同步電機高速運行為目標，對無軸承永磁同步電機的數學模型、永磁轉子機械強度優(yōu)化設計、轉子渦流損耗模型的建立與極對數優(yōu)化、轉子自適應抑制振動控制方法和無軸承永磁同步電機的數字控制系統(tǒng)等關鍵技術開展研究。主要研究

4、工作及成果如下:
　　 (1)分析了無軸承永磁同步電機中的麥克斯韋力和洛倫茲力，研究了懸浮機理，推導出產生穩(wěn)定可控任意方向徑向懸浮力條件，考慮轉子偏心，采用解析法建立了懸浮力與轉矩數學模型。
　　 (2)提出了無軸承永磁同步電機瞬態(tài)參數化有限元分析方法。建立了無軸承永磁同步電機瞬態(tài)有限元分析模型，對定子兩套繞組施加頻率和相位可調的外部電流源，設定轉子旋轉速度，驗證了無軸承永磁同步電機懸浮機理;計算了兩套繞組感應電動勢、轉

5、矩和徑向懸浮力。
　　 (3)提出了永磁轉子機械強度優(yōu)化設計方法。根據材料力學和彈性力學理論，建立了面貼式永磁轉子護套過盈配合量與最高運行轉速的數學模型;對深埋式永磁轉子，提出了計算轉子機械強度的等效環(huán)法?；诮佑|有限元法，仿真研究驗證了永磁轉子機械強度優(yōu)化設計方法的正確性。
　　 (4)提出了無軸承永磁同步電機的氣隙磁場和繞組極對數優(yōu)化設計方法。建立了永磁轉子渦流損耗模型，對永磁體磁化模式開展研究，以降低氣隙磁場諧波為

6、目標，對氣隙磁場進行優(yōu)化;研究對比了具有不同定子兩套繞組極對數的無軸承永磁同步電機轉子渦流損耗。采用耦合電路瞬態(tài)有限元驗證了優(yōu)化設計方法。
　　 (5)提出了基于多頻率跟蹤算法的無軸承永磁同步電機轉子自適應抑制振動控制策略。為了提高振動信號頻率辨識精度，在分析了轉子振動產生機理的基礎上，提出了基于多頻率跟蹤算法的無軸承永磁同步電機自適應抑制振動控制策略;建立了轉子振動頻率的多頻率跟蹤算法，并分析其穩(wěn)定性。構建了基于轉子振動頻率在