无轴承永磁同步电机转子磁场定向控制系统研究
永磁型无轴承电机控制系统研究的开题报告
永磁型无轴承电机控制系统研究的开题报告一、研究背景及意义无轴承电机是一种新型的能量转换设备，可以实现高效率、低噪音、低振动、无润滑、无磨损、无摩擦的特点。
这种电机的性能主要依靠永磁体和电磁绕组的设计和制作，因此，对于开发高性能无轴承电机的关键技术，永磁体和电磁绕组的设计及其控制系统的研究和开发显得尤为重要。
与传统电机相比，无轴承电机具有很多优点，如没有轴承损耗、减少了机械转换部分、不存在磨损等，因此在节省能源、提高电机效率、应用在无人驾驶、航空、海洋等领域具有广阔的应用前景。
二、研究现状及分析目前，永磁型无轴承电机的研究主要关注于永磁体材料的研发、电磁绕组设计和控制系统的开发。
其中，永磁体材料的选择和设计是影响电机性能的重要因素。
传统的永磁体材料包括NdFeb、SmCo和AlNiCo等，这些材料具有较高的磁性能和热稳定性，但是其价格贵不适用于大规模生产。
因此，研究人员开始探索使用新型材料，如锰锌铁氧体、铝镍钴铁氧体、石墨烯等，以解决传统永磁材料成本高的问题。
此外，电磁绕组的设计和制造也是影响无轴承电机性能的重要因素。
目前，研究人员主要关注于如何减少电磁绕组的铜损耗、提高绕组导热性能、降低振动噪声等。
对于无轴承电机的控制系统，传统的PID控制策略已经不再适用，因为无轴承电机涉及到更多的非线性、时变问题和杂散磁场问题。
因此，研究人员开始探索使用更先进的控制策略，如自适应控制、神经网络控制、模糊控制等，以实现更精确、更稳定的控制效果。
三、研究内容和目标本文旨在研究永磁型无轴承电机控制系统，主要研究内容包括：1. 永磁体材料的选择和设计。
在不断探索新型永磁体材料的基础上，对比不同材料的特性，并对其进行综合评价，选择适合无轴承电机的永磁体材料。
2. 电磁绕组的设计和制造。
对于电磁绕组的设计，将考虑减少铜损耗、提高绕组导热性能、降低振动噪声等因素的影响，并利用计算机模拟软件验证设计的合理性。
在制造方面，将探索更加先进的加工工艺和制造技术。
《2024年永磁同步电机矢量控制系统的研究与设计》范文
《永磁同步电机矢量控制系统的研究与设计》篇一摘要：随着科技的发展和工业自动化水平的不断提高，永磁同步电机因其高效率、高精度和良好的控制性能被广泛应用于工业领域。
本文详细探讨了永磁同步电机矢量控制系统的基本原理，深入研究了其系统设计、实现过程及其在实际应用中的表现。
通过分析永磁同步电机的工作特性，我们提出了一种先进的矢量控制策略，以优化电机控制系统的性能。
一、引言永磁同步电机（PMSM）作为现代电机技术的代表，因其结构简单、高效和可靠性高等特点，在电动汽车、工业机器人等领域得到广泛应用。
为了满足高性能应用需求，开发高效的控制系统是关键。
本文研究的重点在于矢量控制系统的设计与优化，通过这种控制系统能够更精确地控制电机的工作状态和输出。
二、永磁同步电机的工作原理与特性永磁同步电机由定子和转子两部分组成，其工作原理基于电磁感应定律和安培环路定律。
转子上的永磁体产生恒定磁场，而通过调节定子电流产生的磁场与转子磁场同步，从而驱动电机转动。
PMSM具有高效率、高转矩/质量比和高速度等特点，且能在宽广的调速范围内运行。
三、矢量控制系统的基本原理与优势矢量控制技术是现代电机控制的核心技术之一。
它通过精确控制电机的电流和电压，实现对电机转矩的精确控制。
与传统的标量控制相比，矢量控制具有更高的控制精度和更好的动态响应性能。
在永磁同步电机中应用矢量控制技术可以大大提高电机的效率和输出转矩性能。
四、永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现本节将详细描述矢量控制系统设计的各个环节，包括硬件设计、软件算法以及整体系统架构的设计。
在硬件设计部分，包括电机的选择、驱动器的设计以及传感器配置等；在软件算法部分，将详细介绍矢量控制的算法原理和实现过程；在整体系统架构设计部分，将讨论如何将硬件与软件相结合，形成一个高效稳定的控制系统。
五、系统性能分析与优化本节将通过实验数据和仿真结果来分析系统的性能表现，并针对可能存在的问题进行优化。
我们将通过对比优化前后的系统性能指标（如响应速度、稳态误差等），来验证优化措施的有效性。
无轴承永磁同步电机数字控制系统的设计
电 力 电 子 技 术
Ｐｏ ｒＥｌｃｒ ｎｉｓ ｗｅ ｅ ｔｏ ｃ
Ｖｏ ．４，Ｎ ． １ ４ ｏ５ Ｍａ ， ０１ ｙ２ ０
无轴承永磁 同步电机数字控制系统的设计
张 磊 １，俞 ， ２ 跃 ， 同华 。 李
２０１） １０ ６ （． 京 信息 职 业 技术 学 院 ， 苏 南 京 １ 南 江 ２ ０４ ； ． 航 空航 天 大 学 ， 苏 南 京 １０ ６ ２南京 江
ｚＨＡＮＧ ｅ － Ｌ ｉ－．ＹＵ ｅ ．ＬＩＴ ｎ ． ｕ Ｙｕ ｏ ｇｈ ａ
（．ａ ｉｇＣ ｌｇ ｎ ｒ ｔ ｎＴｃ ｎｌ ｙ Ｎ ｎｉ １０６ Ｃ ｉ ； １ ｎ ｎ ｏ ｅｅｏ ｆ ｍａｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ａｊ ｇ２ ０ ４ ， ｈｎ Ｎ ｊ ｌ ｆｉｏ ｉ ｏ ｎ ａ
无 轴承 Ｐ Ｍ 的气隙 磁场 由永 磁 体 、 ＭＳ 电机定 子 绕组
和 径 向力绕 组三 者 产 生 的磁场 组成 ， 隙磁 场方 向 气
确 定 的准 确度 直接影 响到对 电机 转子 的径 向控 制 。
当 电机 带有 负载 时 ，转 矩绕 组 中 电流 ｉ 。 ｑ 即 ≠０
ｖ ｃｏ ｏ ｔ ｌ ｍｅｈ ｄ ｉ ｕ ｅ ｏ ｏ ｔｉ ｅ ｔ ｅ ｄ ｃ ｕ ｌ ｇ ｃ ｎ ｒ ｌｂ ｔ ｅ ｎ ｒｖ ｌｉ ｇ ｔ ｒ ｕ ｎ ａ ｉｌｆ ｒｅ ， ｅ ｄ ｇｔｌ ｅ ｔｒ ｃ ｎｒ ｔ ｏ ｓ ｓ ｄ ｔ ｂ ａｎ ｈ ｅ ｏ ｐ ｉ ｏ ｔｏ ｅｗ ｅ ｅ ｏｖ ｎ ｏ ｑ ｅ ａ ｄ ｒ ｄ ａ ｏｃ ｓ ｔ ｉ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ
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２Ｎ ｎｉｇＵ ｉ ｒ ｔ ｏａｅｏａｔ ｓ ｎ ｓ ｏａ ｔｓ Ｎ ｎｉ ２ ０ １ ， ｈｎ ） ．ａ ｎ ｎ ｅｓｙ ｆ ｎｕｉ ｄＡ ｔ ｎｕｉ ， ａｊ １０ ６ Ｃ ｉａ ｊ ｖ ｉ ｒ ｃａ ｒ ｃ ｎ
无轴承异步电机的转子磁场定向控制
4 基于转矩绕组转子磁场定向的控制系统
如转矩绕组采用间接型转子磁场定向控制，转 矩绕组电流分量和转差率分别为 Te L1r i1sq = (7) p1L1mψ 1r L1r ψ 1r (8) p) R1r L1m L i ω s = 1m 1sq (9) L1r ψ 1r R1r 实现转子磁场定向后， ψ 1r = ψ 1rd 、 ψ 1rq ⇒ 0 。 i1sd = (1 + 而径向悬浮力只与转矩绕组气隙磁链值有关（见式 (1)、(2)） 。利用气隙磁链和转子磁链的关系，由下 式辨识出气隙磁链幅值分量。 L ψ 1d = 1m (ψ 1rd + L1rl i1sd ) L1r (10)
关键词：无轴承异步电机；转子磁场定向；系统辨识
1 引言
无轴承电机是集电机与磁悬浮轴承于一体的 新型电机，与传统的磁悬浮电机相比，不需要额外 的径向磁轴承，因而轴向空间大幅度缩短，临界转 速大幅度提高；另一方面，其磁悬浮是以电机本身 的旋转磁场为偏置磁场，磁悬浮功耗大为减少，因 而无轴承电机在大功率和微型应用领域有其优越 性 [1~3] ，其中无轴承异步电机由于弱磁容易、结构 简单和可靠性高等特点受到广泛重视。 无轴承异步电机转子的悬浮是其定子上转矩 绕组和悬浮控制绕组两种磁场相互作用的结果，实 现电机电磁转矩和悬浮力控制的解耦是无轴承电机 运行的基本要求。文[4], [5]分别在忽略绕组漏感和 计及漏感的条件下，采用转矩绕组气隙磁场定向控 制方法实现了电磁转矩和悬浮力两者之间的解耦控 制。然而采用气隙磁场定向控制在实际应用中存在 着相当的局限性，这是因为相对转子磁场定向控制 而言，气隙磁场定向控制不仅算法复杂，还存在固 有的失稳转矩限制[6,7]。 另外由于不能采用通用的变 频器供电 （变频器一般采用转子磁场定向控制） ， 其 实用性有限。 通过深入研究无轴承异步电机的磁悬浮机理 发现，径向磁悬浮控制只与转矩绕组的气隙磁链的 幅值和相位密切相关，如果能在线探测或辨识该气 隙磁链值，原则上转矩绕组可以采用任意类型的控 制算法（如 V/f 控制，转子磁场定向控制等） 。文[8] 中虽然采用了转子磁场定向控制，但在径向悬浮控
永磁型无轴承电机解耦控制策略研究
永磁型无轴承电机解耦控制策略研究近些年来，无轴承电机在各个领域得到了广泛的应用，并且取得了较好的应用效果，实现了社会的进步和发展。
无轴承电机具有无摩擦、无润滑以及转速快等优势，具有较大的应用前景。
而在无轴承电机中，永磁型无轴承电机得到了广泛的认可，其具有运行可靠、功率大的优势。
而在文章的研究中，主要针对于永磁型无轴承电机的解耦控制策略进行了相关方面的分析和探讨，希望通过文章的研究，能够进一步提高永磁型无轴承电机的应用水平，实现其良好的发展。
标签：永磁型无轴承电机；解耦控制；策略前言在多年的发展中，无轴承电机的发展也极为迅速，而且，无轴承电机具有无磨损、无摩擦、结构紧凑、无润滑、临界转速高等相关的优点，尤其是在永磁型无轴承电机运行的过程中，更是具有较长的使用寿命。
另外，经过多年的发展，对电机的运行要求也越来越高，如，要求电机必须具备长寿命、超高速、无机械噪声运行等，因此，需要对电机进行不断的改进和完善。
永磁型无轴承电机是无轴承电机的重要组成部分，所具备的无磨损、无摩擦、无润滑等优势也将成为发展的重要组成部分，当然，永磁型无轴承电机在运行的过程中，经常会发生解耦的现象，对永磁型无轴承电机的运行会产生极大的影响，对此，文章主要对永磁型无轴承电机解耦控制策略进行分析。
1 永磁型无轴承电机概述永磁型无轴承电机是无轴承电机的一种，主要根据转子的结构来对其进行分类，除了永磁型无轴承电机以外，还有磁阻型、感应型等无轴承电机类型，当然，通过大量的实践调查发现，永磁型无轴承电机的应用较为广泛，并受到广大社会各界的重视[1]。
永磁型无轴承电机被广泛的应用到长寿命、电机超高速、无机械噪声运行的生命科学以及航空航天等多个领域中，并被列入到重点研究对象，具有较大的应用前景。
2 永磁型无轴承电机解耦永磁型无轴承电机虽然被广泛的应用到多个领域中，但是，在永磁型无轴承电机实际运行的调查中发现，永磁型无轴承电机经常会出现解耦的现象，也给永磁型无轴承电机的正常运行造成极大的影响[2]。
无轴承永磁电机及其控制
◼ 永磁型无轴承电机内的悬浮控制绕组、转矩控制绕组、永磁体磁场通过气隙 磁场互相耦合，电磁悬浮力和电磁转矩产生过程包含机、电、磁的各种暂态 与稳态运动过程，具有极强的非线性耦合特征，而现有的研究多采用磁共能 法、麦克斯韦张量法、有限元法等来独立建立转矩控制绕组与悬浮控制绕组 数学模型，难以反映两者间的动态非线性耦合。且不同转子结构的永磁型无 轴承电机，悬浮机理与磁链方程、电压电流方程、电磁悬浮力方程、电磁转 矩方程及其等效电路等数学模型也各有差异，因此要想获得高品质的转矩与 悬浮控制性能，必须深入研究其内部的能量转化关系，综合考虑铁心磁饱和 效应，定子齿槽效应、谐波分量以及转子偏心等诸多因素，在此基础上建立 更加准确的数学模型。
永磁型无轴承电机研究趋势
◼ （3）无轴承电机新型结构的研究
◼ 传统的永磁型无轴承电机以表面贴装式永磁电机为主，其悬浮力和转矩输出 能力相互制约，永磁体厚度的选择必须折中考虑，太厚或太薄分别对悬浮力 和转矩输出都有不利的影响，从而导致电机承载力和刚度较小、弱磁能力差、 永磁体易退磁等诸多问题，严重制约了永磁型无轴承电机的应用和发展。
◼ 苏黎世联邦工学院和Levitronix公司研制 成功的无轴承永磁电机驱动的血泵以及 可移植到人体内的左心室辅助装置已在 临床中应用。
◼ 东京理工大学和MotorSolution公司于 2008年将交替极型无轴承永磁电机应用 于半导体制造工厂中的超纯水泵的电机, 其最高转速为6000r/min、功率为1.2kW。
无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁同步电机研究现状 无轴承永磁同步电机结构原理 无轴承永磁同步电机建模方法 无轴承永磁同步电机解耦控制策略 无轴承永磁同步电机控制系统
无轴承永磁同步电机优化设计与转子不平衡补偿研究的开题报告
无轴承永磁同步电机优化设计与转子不平衡补偿研究的开题报告一、研究背景与意义无轴承永磁同步电机是一种基于磁悬浮技术的新型电机，其主要特点是无机械接触精度高、噪音低、寿命长等优点，因此越来越受到人们的关注。
但是，由于其采用了磁悬浮技术，转子与定子之间的间隙过小，容易受到外界的干扰而引起不稳定性，因此需要进行优化设计和转子不平衡补偿来提高其性能和稳定性，同时扩大其应用范围。
二、研究内容和目标本研究将针对无轴承永磁同步电机的优化设计问题和转子不平衡补偿问题展开研究。
具体内容包括以下方面：1.通过分析无轴承永磁同步电机的工作原理和特点，确定其优化设计目标和要求，采用磁场有限元软件进行模拟仿真，进行优化设计。
2.针对无轴承永磁同步电机容易受到转子不平衡的影响而引起的不稳定性问题，进行转子不平衡补偿研究。
通过分析影响因素，设计合理的补偿系统，通过实验验证其补偿效果。
三、研究方法和流程本研究采用以下方法和流程：1.文献调研：对无轴承永磁同步电机的相关研究进行综合分析，确定研究方向和内容。
2.理论分析：通过对无轴承永磁同步电机的工作原理和特点进行分析，确定其优化设计目标和要求，设计合理的转子不平衡补偿系统。
3.仿真分析：使用磁场有限元软件进行模拟仿真，对无轴承永磁同步电机进行优化设计，并进行转子不平衡补偿效果分析。
4.实验验证：通过实验验证转子不平衡补偿系统的效果，评估无轴承永磁同步电机的稳定性和性能提升情况。
四、研究预期成果本研究的预期成果包括以下方面：1.优化设计方案：通过模拟仿真获得无轴承永磁同步电机的优化设计方案，提高其性能和稳定性。
2.转子不平衡补偿系统：设计合理的转子不平衡补偿系统，提高无轴承永磁同步电机的稳定性和可靠性。
3.实验验证结果：通过实验验证转子不平衡补偿效果，并评估无轴承永磁同步电机的性能和稳定性提升情况。
五、研究创新点本研究的创新点包括以下方面：1.综合考虑无轴承永磁同步电机的特点和要求，通过磁场有限元软件进行模拟仿真优化设计，设计合理的转子不平衡补偿系统，提高无轴承永磁同步电机的性能和稳定性。
基于转子磁场定向的无轴承异步电机逆系统解耦控制
控制与应用技术 Ｅ 嘣
迫扎 再控制 应闭２ １ ３ ２ ００ ７（） ，
基 于转 子磁 场定 向的 无轴 承异 步 电机逆 系统 解耦 控 制 米
李 青 ， 刘 贤兴
（ 苏大 学 电气信 息 工程 学 院 ， 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 江 １０ ３
摘 要： 无轴承异步电机是一个多变量 、 强耦合 、 非线性 的系统 ， 无轴承异步 电机的运行机 理 ， 根据 推导
了旋转力和径向悬浮力方程 ， 建立 了基于转子磁场定 向的电机的状态方程 ， 根据状态方程分析系统的可逆性 ，
应用 ｑ阶逆系统 的方法实现了径 向悬浮力与旋转力之间、 径向悬 浮力之问 的动态解耦 ； 并采用线性综合方法
设计 了系统的闭环控制器 。仿真结果表 明， 系统具有 良好的动 、 静态性能。
０ 引 言
无轴承异步电机是一种多变量 、 强耦合 、 非线
性 的被控 系统 。其 旋 转力 和 径 向悬 浮 力之 间 、 径
象 ， 易掌握 ； 系统方法 是一种 直接反 馈线性化 不 逆 的方法 ， 有物理 概念清 晰直观 ， 具 数学 分析简单 明
关键词 ： 无轴承异步电机 ； 转子磁场定 向； 系统 ； 逆 解耦控制 中图分类号： Ｍ３ １２ Ｔ ４ 文献标识码 ： 文章编号 ： ７ －５０ ２ １ ）２００ － Ｔ ０ ．： Ｍ３ ３ Ａ １ ３６ ４ （０ ０ ０ － ８０ ６ ０ ５
无轴承永磁同步电机启动控制研究
ＴＭ Ｓ ２ Ｌ ８ ２，ｎ ｌ ｐ ｓｔ ｎｓ ｎ ｎ ｈ ｔ ｅ ｊ ｒｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ３ ０ Ｆ２ １ ａ ｄ Ｈａｌ ｏ ｉｏ ｅ ｓ ｒ ｉｃｅ ｎ ａ ｏｏ ｌｃｒｃ ｌ ｃ ｄ ｒａ ｄｔ ｅｏｈ ｒｍａｏ ｏ ｏ ｅ ｔ ｉ ｐ ｅ
Ｗ ＥＩ ｉ— ｕ ｎ ｆ ，Ｚ Ｊ ＨＵ ａ ｇ ｑ ｕ Ｈｕ ｎ — ｉ ，ＹＵ ｉ ｇ Ｊｎ
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ａ ｅ ａ ｓ ｄ ｐ ｅ ．Ｉ ｄ ｉ ｏ ｒ ｌｖ ｎ ｉ ｌｔ ｎ ａ ｄ ｅ ｐ ｒ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｗｅ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｄ ｒ ｌｏ ａ ｏ ｔ ｄ ｎ ａ ｄ ｔ ｎ， ｅｅ ａ ｔｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｘ ｅ ｉ ｉ ｏ ｍｅ ｔｒ ｓ ａ ｃ ｒ ｏ ｄ ｃ ｅ ．Ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ｅ — ｉ ｌｔ ｎ ｘ ｏ
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稳 、 速启 动 。 快
关 键 词 ： 轴 承 电 机 ； 磁 同步 电机 ； 分 搜 索 法 ； 子 初 始 位 置 ； 子 磁 场 定 向 无 永 二 转 转
中 图分 类 号 ： ＴＭ３ １ ４ 文 献标 识 码 ： Ａ
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无轴承永磁同步电机转子偏心位移的直接控制
无轴承永磁同步电机转子偏心位移的直接控制无轴承永磁同步电机转子偏心位移的直接控制第27卷第l2期2007年4月中国电机工程ProceedingsoftheCSEEVo1.27No.12Apr.2007~2007Chin,Soc.forElec.Eng.文章编号:0258.8013(2007)12.0065.06中图分类号:TM343文献标识码:A学科分类号:470?40无轴承永磁同步电机转子偏心位移的直接控制张少如,吴爱国,李同华(天津大学电气与自动化工程学院,天津市南开区300072)DirectControlforRotorEccentricDisplacementofBearingless PermanentMagnet-typeSynchronousMotorsZHANGShao—ru,WUAi—guo,LITong—hua(SchoolofElectricalEngineering&Automation,TianjinUniversity,Nank aiDistrict,Tianjin300072,China)ABSTRACT:L0addisturbalicelcadstorotoreccentricityof bearinglessmotorsinpracticaloperation,whichwillinfluencethecontrolperformanceofstablesuspension.Itisthefocusin studiesofbearinglessmotorstolevitatetherotorstablyby directlyandeffectivelycontrollingrotoreccentricdisplacement.Firstly,Maxwellforcesofbearinglessmotorsandthe relationshipbetweeneccentricdisplacementandradial levitationforcewereanalyzed.Then,basedontheprincipleof controllableradiallevitationforce,anewapproachtocontrolrotoreccentricdisplacementwasproposed.Thisapproach directlycontrolsrotoreccentricdisplacementofbearingless permanentmagnet-typesynchronousmotorsbyusingthecontrolofrotorfluxorientation.Byapplyingthisapproach,a controlsystemwasalsodesigned.Thesimulationresultsshow thatthisapproachiseffectiveinimprovingthestaticand dynamicperformanceofstablesuspensionofbearinglessmotors,andthisapproachrealizesdirectcontrolforrotor eccentricdisplacement.KEYWORDS:bearinglesspermanentmagnet—typesynch—ronousmotor;Maxwellforce;rotoreccentricdisplacement; radiallevitationforce;directdisplacementcontrol;rotorflux orientation 摘要:无轴承电机运行时由于负载扰动使其转子产生的径向偏心影响了其稳定悬浮性能,因此如何采取直接有效的方法控制转子偏心位移,使转子稳定悬浮成为无轴承电机研究的重点.文中对无轴承电机中的麦克斯韦力进行详细研究后,根据径向偏心位移和径向悬浮力之间的关系,基于可控径向悬浮力产生的机理,采用转子磁场定向,对转子偏心位移的控制提出了一种全新的控制方法:无轴承永磁同步电机转子偏心位移的直接控制,并设计了相应的控制系统.仿真结果表明,该方法有效地提高了无轴承电机稳定悬浮运行的动,静态性能,实现了对转子偏心位移的直接控制.关键词:无轴承永磁同步电机;麦克斯韦力;转子偏心位移;径向悬浮力;直接位移控制;转子磁场定向0引言近20年发展起来的无轴承电机,利用磁场力将转子悬浮于空间,它同时具备驱动和自悬浮能力,实现了转子和定子之间没有任何机械接触.由于无轴承电机无需独立的径向磁轴承支撑,可靠性高, 可微型化,拓宽了高速电机的应用领域;且无需独立的偏转磁场,磁悬浮功耗降低,故在飞轮贮能, 生,化,医,核等领域具有广泛的应用前景I1J. 无轴承永磁同步电机(BPMSM)以其结构简单, 运行可靠,功率密度大受到了高度重视.首先因为 BPMSM在超高速驱动领域可大功率化;其次和无轴承异步电机相比,采用转子磁场定向矢量控制时 BPMSM的磁场由转子上永磁体产生,转子永磁体极数固定,悬浮控制绕组在转子上没有感应电流产生,克服了异步电机由于悬浮控制绕组对转子感应所产生的负转矩,控制系统设计相对简单.故永磁同步电机首先被用于研究并实现了无轴承化. 无轴承电机转子的悬浮是其定子上转矩绕组和径向悬浮力控制绕组所产生的2种磁场相互作用的结果,这决定了其转矩控制和悬浮力控制之间存在着强耦合,因此实现电机电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦是无轴承电机运行的基本要求L5州.文献【7—9]分别基于转子磁场定向,电磁场虚位能原理和非线性状态反馈实现了电磁转矩和悬浮力之间的解耦控制.为了使电机转子稳定悬浮,文献【5,11] 利用转子径向偏心位移对径向悬浮力进行了补偿. 然而以上控制方法没有对径向悬浮力与径向位移之66中国电机工程第27卷间的关系进行直接的研究与分析,对径向偏心位移采用沿轴的偏移分量进行分离控制,因而从本质上说是一种间接的位移控制,致使径向悬浮力和径向偏心位移之间的关系表达式复杂,计算量大,调节时间长,稳定性差.本文在深入研究了BPMSM径向悬浮力产生的机理后,得到如下结论:通过控制径向悬浮力绕组电流的大小就可以控制径向悬浮力的大小;控制径向悬浮力绕组电流矢量相对于气隙磁场等效电流矢量的相位差就可以控制径向悬浮力的方向.然后重点研究径向悬浮力与径向偏心位移之间的关系,基于转子磁场定向,提出了BPMSM转子偏心位移直接控制的方法,并设计了相应的控制器.利用该方法对电机的电磁转矩,转速和转子的起浮性能等主要性能指标进行了仿真试验,结果表明转子起浮过渡过程较短,超调量较小,该方法具有更好的稳定性,实现了转子偏心位移的直接控制.1径向悬浮力产生的基本原理1.1电机中的电磁力BPMSM的定子槽中放入两套不同极对数的绕组,即转矩绕组(极对数l,电角频率CO1)和悬浮控制绕组(极对数2,电角频率),当满足p2:Pl?1, =l条件时,电机中才能产生可控的悬浮力【】引. f下标"1","2"分别对应着转矩绕组和控制绕组,下同,在2套绕组通有三相正弦交流电时,由于电磁场的作用,电机中存在着2种不同类型的电磁力: 洛伦兹力和麦克斯韦力.洛伦兹力为普通永磁同步电机产生转矩的力, 在电机转子无偏心位移的情况下,径向悬浮力绕组中没有电流流过,此时的BPMSM等同于普通的永磁同步电机,其转矩力的产生机理是相同的.由于电机转子永磁体磁场固定,转子偏心时偏心位移很小,径向悬浮力绕组中的电流形成的旋转磁场对转子永磁体作用的合力为零,不产生驱动电机旋转的转矩力.电机中的径向力主要由麦克斯韦力产生,麦克斯韦力的本质是磁路中不同磁导率介质边界上形成的磁张力,设电机气隙磁密为B,则转子表面单位面积上的麦克斯韦力可以由式(1)表示2/z(1)n式中为真空磁导率.由式(1)可见,麦克斯韦力是与电机气隙磁密B 有关的.对于无轴承电机而言,其麦克斯韦力由2 部分组成:(1)磁场不变而转子位置偏心时的麦克斯韦力.当电机转子位于中心平衡位置时,如图1(a)所示,电机中的磁通是对称分布的.电机中铁心和气隙边界上单位面积的麦克斯韦力作用方向垂直于电机转子表面,其合力为零.如果转子偏离了电机轴心如图1(b),转子的偏心引起电机中磁通分布不均, 磁张力效应产生的麦克斯韦合力不再为零,其作用方向和转子偏心方向一致.这个力是由磁场不变而转子位置偏心产生的,转子的偏移量越大,磁张力也越大,因此该麦克斯韦力是个负刚度力,在该力的作用下转子的径向偏移量越来越大. (a)转子位于中心平衡位置(b)转子偏离电机轴心图1转子偏心时产生的麦克斯韦力Fig.1Maxwellforcesproductionwitheccentricrotor(2)转子位置不变而磁场变化时的麦克斯韦力.当电机转子位置不变,径向悬浮力绕组通有电流时,径向悬浮力绕组产生的磁场打破了由转矩绕组产生的磁场的平衡,引起电机磁通分布不均,电机中相对的2个位置上产生的麦克斯韦力大小不等,其合力方向指向磁场增强区域.该麦克斯韦力是由于转子位置不变而磁场变化产生的,是可控的径向悬浮力.对于无轴承电机,都可以人为的引入径向悬浮力绕组电流,使电机转子受到与转子偏心位移相反的麦克斯韦力,通过这个转子位置不变而磁场变化产生的麦克斯韦力来克服转子位置偏心时产生的麦克斯韦力,从而实现电机转子的稳定悬浮. 图2(a),(b)是分别实现沿,Y方向产生径向悬浮力的示意图.因此,从实现无轴承电机转子稳定悬浮的角度来讲,研究由转子位置不变而磁场变化产生的可控麦克斯韦力,根据其产生的机理,从本质上控制这个径向悬浮力的大小与方向是实现转子径向位移可控和稳定悬浮的最简单直接有效的方法.第l2期张少如等:无轴承永磁同步电机转子偏心位移的直接控制67(a)沿X方向产生悬浮力(b)沿Y方向产生悬浮力图2磁场变化产生的麦克斯韦力Fig.2Maxwellforcesproductionwithmagnetizingfluxes1.2径向悬浮力的数学模型为便于对BPMSM径向悬浮力的分析,在电机转矩采用转子磁场定向矢量控制时作如下假设: (1)由于转子偏心位移很小,忽略转子偏心对气隙磁场的影响.(2)转矩绕组和径向悬浮力绕组空间安装位置相同,即空间位置角1==0..(3)2套绕组极对数P1--p2+1. (4)2套绕组中电流角频率l=.(5)忽略铁磁材料非线性磁饱和,涡流及铁心损耗J.此时,两相同步旋转坐标下电机中的气隙磁场如图3所示,为气隙磁场相对于转子磁场的角度,即式(3)中产生等同的气隙磁场的转矩绕组电流相对于d轴的初始相位角,为定子磁场. 转子表面单位面积上的麦克斯韦力由式(1)表示,沿X,Y轴方向上的分量为式中:,为电机定子铁心长度;,为转子外径;为空间位置角.电机中气隙磁密可以表示为B(,f)=cos(p1一f+)+cos(p2一f+)(3)式中:蜃为转子永磁体,转矩绕组共同产生的气隙磁密幅值;赢为控制绕组单独作用产生的气隙磁密幅值;为产生等效气隙磁场所需的转矩绕图3气隙磁场相量图Fig.3Phasordiagramoftheairgapflux组电流初始相位角;为径向悬浮力绕组电流初始相位角.将式(3)代入式(2)并进行积分运算得c0s-p=lF=lsin(~.;(4)l) 其中麦克斯韦力幅值该力正是使电机恢复至平衡位置的可控麦克斯韦力,根据推导过程可以表示为图4的空间相量图. 图4可控麦克斯韦力空间向量图Fig.4SpacephasordiagramofcontrollableMaxwellforce麦克斯韦力矢量可以表示为Fm=lFml(一)(6)电机每极气隙磁通为JP(7),I=21rB2/p2每相气隙磁链J(8)【=式中,分别为转矩绕组和控制绕组的匝数. 径向悬浮力绕组只建立控制气隙磁场,并受其电流fS:控制.忽略铁磁材料的磁饱和,在铁磁材料磁化曲线的线性范围内H],径向悬浮力绕组气隙磁链可表示为=:fs:(9)其中:,:为控制绕组的自感;,为控制绕组电流. 将式(7),(9)代入式(5)可得=lfs2I(10)对于1个力矢量,可以由2个参数标定:力的大小和方向.由式(10)可以看出当气隙磁链为定值时,径向悬浮力的幅值只与其流过的电流fs:幅值有关,通过控制径向悬浮力绕组电流fs:就可以控制产生的径向悬浮力的大小.由图4可以看出径向悬浮力 2dd蜘0.llll68中国电机工程第27卷产生的方向与产生等效气隙磁场所需的转矩绕组电流初始相位角和径向悬浮力绕组电流的初始相位角有关,控制这2个初始相位角就可以控制所产生的径向悬浮力的方向.2转子径向偏心位移直接控制2.1转子径向偏心位移的直接控制方法当转子发生径向偏移时,如图5所示,将其矢量化可以表示为:偏心位移的大小fOOf=?+(11)式中x,Y为电涡流位移传感器分别测得的转子沿 x,Y方向的偏心位移.偏心位移的方向即偏心位移角度=arctan(y/x)(12)y{ol|.图5电机转子偏心时的径向位移Fig.5Radialdisplacementofmotorwithrotoreccentricity无轴承电机中的径向悬浮力是用于克服转子偏心位移的,因此使转子恢复到平衡位置的最有效的方法就是让转子受到与径向偏移反向的力,即径向悬浮力与径向偏移反向.对于径向偏心位移矢量,所需加的径向悬浮力矢量可以表示为=f(IooI)z(a+180.)(13) 式中)函数为径向偏心位移到力的变换函数.径向悬浮力的控制可以通过偏心位移负反馈控制实现, 即由径向偏心位移矢量D6的大小确定径向悬浮力矢量的大小.选择不同的PID控制器就可以实现不同的控制动态响应.180.为需要产生的径向悬浮力的方向,与偏心位移方向相反.对式(6)和式(13)比较可得+180.=一/l(141当通过电涡流位移传感器测得x和Y值并由式(12)计算出,由式(14)可知,只要确定卿中任意一个变量就可以求得另一个变量. 由图3确定气隙磁场相对于转子磁场的初始相位,即产生等效气隙磁场所需的转矩绕组电流初始相位后,便可求得径向悬浮力绕组电流初始相位 =++180.(15)由式f10)得径向悬浮力绕组电流幅值为器三相电流矢量可以通过幅值,初始相位和频率 3个参量确定.采用电流滞环比较的控制方式时, 通过式(15),(16)可以确定初始相位和幅值,而电流的频率与转矩绕组相同,经过两相旋转极坐标到三相静止坐标变换,三相静止坐标下的径向悬浮力绕组电流可以表示为:=fs:sin(wt+-90.) 2B=l's2sin(wt+-90.一120.)(17)2c=fs2sin(wt+-90.+120.) 2.2控制器设计图6为BPMSM悬浮力的控制系统框图【】孓J, 转矩控制采用转子磁场定向矢量控制实现.气隙磁场由转矩绕组产生的磁场和转子磁场合成,当转矩为空载时,转矩绕组磁通很小可以忽略,=0., 此时气隙磁通可以认为由转子永磁体产生.转子在 x和Y方向的位移由电涡流传感器检测,由x,Y方向的转子偏移量经极坐标变换得到转子偏心位移的大小和方向,经PID调节器产生径向悬浮力的命令(16)求得径向悬浮力绕组的电流幅值,再根据式值,然后由式(17)得到径向悬浮力绕组中电流的命令值,f:和,最后经过三相电流跟踪型逆变器控制三相径向悬浮力绕组中的电流.图6无轴承永磁同步电机控制系统框图Fig.6AcontrolsystemconfigurationofBPMSM3控制系统仿真及结果根据图6在Matlab中构建仿真系统框图,在仿真过程中根据电机的特性选用了变步长Ode23t,起第l2期张少如等:无轴承永磁同步电机转子偏心位移的直接控制69始时间0s,终止时间O.06s.永磁同步电机的参数为:额定功率1.1kW,额定转速3000r/min;四极转矩电机绕组;二极径向悬浮绕组;气隙500pm;永磁体厚度lmm;每极转矩绕组60匝;每极径向悬浮力绕组24匝;转子轴长60mm;转子外半径23mm;转子质量2.2kg;转子转动惯量5.6x10一"kg.mz;定子电阻1.65f~;定子直轴和交轴电感都为8mH;永磁体等效励磁磁链 0.175Wb.仿真结果见图7.图7(a)为电机电磁转矩特性图,启动时负载转矩=3N.m,在t=0.04s时,将负载转矩减到1N.m.由图可见,负载转矩发生阶跃时,电磁转矩轻微振荡后便到达了新的稳态值, 稳定后转矩脉动小于10%.图7(b)是转速特性曲线, 给定角速度为700rad/s,由图可以看出其响应快, 测出其转速超调量小于0.5%.转子径向y轴位移曲,由于重力作用y轴方向线如图7(c)所示,起动时偏移0.3mm,从图中可以看出经过0.007s,转子沿Y 方向快速地回到平衡位置;图7(d)给出这种情况下转子起浮轨迹图,可见转子仅在Y方向有偏移,整个起浮过程沿Y轴方向直线上升.图7(e)给出了 Y方向均有偏移时的转子起浮轨迹图,起始点,Y 偏移量分别为一0.05mm,一0.25mm,整个起浮过程沿着与径向偏心位移相反的方向,经过0.007s转子稳定快速地回到中心平衡位置,实现了径向悬浮力轴方向位移/mz轴方向位移,m(e)xy方向均有偏移时转子起浮轨迹(f)转子达到新平衡点附近的波动图7控制系统仿真结果Fig.7Simulationresultsofthecontrolsystem与径向偏心位移方向相反的控制.图7(f)给出转子达到新的稳态后在平衡点附近的波动情况,由图可以看出其波动范围小于?0.003mm.由图(b),(c), (d),(e)可以看出电机的转速,y轴的径向位移以及转子起浮轨迹都没有受到负载阶跃的影响.由仿真结果可以看出,和传统的悬浮力控制方法相比,新的控制方法通过分析偏心位移和径向悬浮力之间的关系,从本质上实现了转子偏心时的直接位移控制,保证了电机转子的稳定悬浮.同时径向悬浮力与径向偏心位移之间关系简洁,计算过程中计算量减少,控制器参数整定简单,有利于高性能控制系统的设计.4结论无轴承电机运行时转子的稳定悬浮,是实现无轴承电机稳定运行和走向实用化的关键.本文对无轴承电机径向悬浮力产生的机理进行深入分析后,基于转子磁场定向控制,根据径向悬浮力与转子偏心位移的关系,提出了无轴承永磁同步电机转子偏心位移直接控制的方法,并设计了相应的控制器.和传统控制方法相比由于新方法中基于转子偏心位移实现对径向悬浮力的控制,不受负载转矩的影响,因此新方法对转子偏心位移的控制更直接有效,同时控制算法简单,有利于高性能控制器的设计.采用Matlab所做的仿真试验表明该控制方法提高了系统响应的快速性,转子的稳态波动减小,实现了对转子径向位移的直接控制.参考文献【1]SalazarAO,ChibaA,FukaoT.AReviewofdevelopmentsin bearinglessmotors[q.Proc.7taInt.Symp.MagneticBearings,Zurich, Switzerland,2000.【2]AmrheinW,SilberS,NenningerK,eta1.Developmentson 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在 电机定 子 槽 中，除 了传 统 电机 转矩 绕 组 外 ， 无 轴承永 磁 同步 电机还 有用 于产生 径 向悬浮 力 的绕 组 。要 使 电机产生 可控 悬浮 力 ，两 套 绕组 的极对 数 应 满足 以下 关 系 ：假 设 转 矩 绕 组 极 对 数 为 Ｐ ， 。 悬 浮力 绕组 极对 数为 Ｐ ，则 Ｐ ＝Ｐ ．１ ： ： 。－ 。如 图 １ ４ 所 示 ，Ｐ 为 ２ 。 ，由 Ⅳ 。和 Ⅳ 绕 组 构 成 ；Ｐ ：为 １ 由 ， 和 绕组 构成 。当 电机转 子没有 偏 心 时 ，悬 浮 力绕 组 Ⅳ 和 四极 磁通 中 没有 电流 流 过 ，永 磁 体 产 生 的
控 制之 间存在 着交 叉耦 合 ，使 得无 轴 承 电机 的控 制
变 得 比磁轴 承复 杂 。
是平衡 的 ，各个 磁 极 处 的气 隙磁 通 相
等 ，没有 悬 浮 力 产 生 。但 是 当转 子沿 负 方 向偏 心 时 ，根据 电磁场 理论 ，由于这 时 电机 磁通 分布 不 均 ，将 产生 沿 负 方 向 的 麦 克 斯 韦 力 ，这 是 一 个
负刚度 力 ，转子 偏离 得 越 多 引起 的磁 张 力 就越 大 ，
无轴 承 永 磁 同 步 电机 是 一 个 非 线 性 强 耦 合 系
统 ，实现 其 电磁转矩 与径 向悬 浮力 之间 的解耦 控制
是 电机稳 定运 行 的前 提 。笔者 提 出了一种 转 子磁场
定 向控制 的解 耦算法 ，实 现 了径 向悬 浮力 与 电机转
理 基 础 上 ，采 用 转 子 磁 场 定 向控 制 策 略 ，推 导 了 无 轴 承 永 磁 同 步 电 机 径 向 悬 浮 力 和 电 机 旋 转 部 分 数 学 模 型 ；根 据 无 轴 承 电机 解 耦 控 制 的要 求 设 计 了 无 轴 承 永 磁 同 步 电 机 转 子 磁 场 定 向 矢 量 控 制 系 统 ，并 以 数 字 信 号 处 理 器 Ｔ Ｓ２ Ｌ２０ Ｍ ３０ Ｆ４ ７为核 心 ，研 制 了矢 量 控 制 系 统 的硬 件 和 软 件 。 实 验 结 果 表 明 ：电 机 工 作 在 ０—３００ｒ ｉ 围 内 ， ０ ／ ｎ范 ｍ 转 子 悬 浮 稳 定 且 电 机转 速 连续 可 调 。
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２０ ０ ６年 ６月
中国工程 科学
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Ｊ ｎ． ０ ６ ｕ ２０
Ｖ０ ． Ｉ ８ Ｎｏ． ６
第 ８卷第 ６期
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【 稿 日期 】 ２０ 收 ０５—０ ８—２ ；修 回 １期 ５ ５ １ ２０ ０５—１ ０—１ ０
时 ，绕组 Ⅳ 中通 人 正 向 电 流 后 便 产 生 两 极 磁 通
，
导致 气 隙 １ 处磁 通 密度 增 加 ，气 隙 ３ 磁通 密 处
【 金 项 目】 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （０７０ ７ ；江 苏 省高 新 技 术 研 究 基 金 资 助 项 目 （ｏ５２ ） 基 ５ ２５６ ） ２ ００７ 【 作者 简 介 】 朱 幌 秋 （９４ ，男 ，江 苏靖 江市 人 ，博 士 ，江 苏 大 学 电 气 信 息 工 程学 院 教授 １６ 一）
矩 的独立 控 制 ，设 计 了 以 Ｔ ３０ Ｆ ４７ Ｄ Ｐ控 制 ＭＳ２ Ｌ ２０ Ｓ
反 之会 使转 子偏 离得 更多 。为 了使转 子 回到平衡 位
置 ，可 以调 节 气 隙 １ ，３处 的磁 通 密 度 来 实 制 系统 ，阐述 了该控 制系 统 的硬件 和软件 构成 及其 实现方 法 。
［ 关键 词 ］ 无轴承永磁同步电机；解耦控制；数字信号处理器；数字控制 ［ 中图分 类号 ］ Ｔ ３１ Ｍ４ ［ 文献 标识 码 ］ Ａ ［ 文章编 号 ］ １ ９ １４ ２０）０ — ０５ ０ ０ — ７２（０６ ６ ０３ — ６ ０
１ 引言
无 轴承 永磁 同步 电机具 有磁 轴承无 摩擦 、无 磨
无 轴 承 永 磁 同步 电机 转 子 磁 场 定 向控 制 系统 研 究
朱 烷秋 ，巫 亮 ，周 阳 ， 张腾 超 ，邓 建 明
（ 苏大学 电气信 息 工程 学院 ，江苏镇 江 ２ ２ １ ） 江 １０ ３
［ 要 ］ 无轴承永磁同步电机是具有磁悬浮轴承优点的一种新型电机 ； 摘 在阐述了无轴承永磁同步电机工作原
式 中 ￡ 两相 坐标下 定子 绕组 的 自感 。 为 定 义
Ⅳ ，Ⅳ ， ｉ
，
ｂ， ｐ
， ，分 别 是 绕 组 Ⅳ ，
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３ ６
中国工程科 学
第 ８卷
度减 少 ，从 而 产 生 一 个 使 转 子 将 向正 方 向移 动 的 力 ，使转 子 回到 平 衡 位 置 。 同理 ，若 转 子 沿 正
方 向偏 心 ，控 制 中通 反 方 向 电流 时 ，气 隙 １ 处
２ 无 轴承 永磁 同步 电机 悬 浮机 理
２ １ 转 子悬浮 机 理 ．
损 、不 需润 滑 、高转 速和 高精度 等优点 ，在生命 科
学 、化工 、半导 体制 造等 工业领 域有 很好 的应 用前 景¨ 。无 轴承永 磁 同步 电机就 是在 永 磁 同 步 电机 基础 上 ，将产 生径 向悬 浮力 的磁轴 承绕 组和 电机定 子 （ 转矩 ）绕 组 叠 压 在 一 起 ，实 现 电机 的 无 轴 承 化 。与传 统 的磁轴 承支 承 的电机相 比 ，无轴 承 电机 是 由 电机本身 产生 转子 径 向悬 浮力 ，电机两 端不 再