五相无轴承永磁同步电机及其控制系统研究

发布时间：2020-08-23 21:47

【摘要】：先进制造领域对电机性能的要求越来越高,研发高质量的传动系统成为迫切需要解决的问题。多相电机因具有转矩密度高、转矩脉动小、容错能力强等诸多优点,在航空航天、医疗卫生、城市轨道交通等领域具有广阔的应用前景。无轴承电机依托其无摩擦磨损,无润滑和免维护等诸多优势,在超洁净医疗卫生、高压密封泵、高速高精等领域引起科研人员的广泛关注。多相无轴承电机结合了多相电机和无轴承电机的双重优点,既可以实现电机无轴承支承旋转运行,又具备多相电机的诸多优势。本文以五相10槽8极分数槽集中双绕组无轴承永磁同步电机(fractional-slot concentrated dual winding bearingless permanent magnet synchronous motor,FSCDW BPMSM)为研究对象,在电机绕组结构、电磁分析、运行机理、控制方法、数字系统等方面展开研究,设计了五相无轴承永磁同步电机的绕组结构,优化了永磁体形状,研制了实验样机,研究了多种径向悬浮力的产生原理及其相互影响关系,建立了悬浮子系统和转矩子系统的数学模型,提出了基于模型参考自适应的直接悬浮力控制方法,设计了五相FSCDW BPMSM数字控制系统,并开展了相关研究实验。论文主要工作及取得成果如下:(1)设计了五相FSCDW BPMSM的绕组结构,研究并总结气隙磁动势的分布规律,优化了永磁体形状并研制了实验样机。在比较传统多相分数槽和整数槽集中绕组电机的基础上,提出分数槽双绕组结构的多相无轴承电机;提出了改进绕组函数法,研究五相FSCDW BPMSM定子磁动势的分布规律,并用有限元法进行验证;结合传统五相电机利用三次谐波电流增加转矩密度的特点,对永磁体形状进行优化,以最大输出转矩为优化目标,寻求马鞍形永磁体三次谐波的最优比率;仿真对比了方形、马鞍形、正弦形表贴式永磁体电机的转矩和可控径向悬浮力性能;根据优化后的电机参数,设计了五相FSCDW BPMSM样机。(2)研究了五相FSCDW BPMSM多种径向悬浮力的产生原理及其相互影响关系。针对谐波电流注入式五相FSCDW BPMSM的气隙磁动势谐波含量多,谐波间相互作用关系复杂等特点,提出磁场等效虚拟电流分析法,深入研究各谐波磁动势产生的多种径向悬浮力对基波磁动势产生的主径向悬浮力的影响;仿真验证了马鞍形永磁体形状的五相FSCDW BPMSM能调和方形和正弦形永磁体电机的矛盾,在提高电机平均径向悬浮力幅值的同时,也能大幅度降低悬浮力脉动。(3)构建了五相FSCDW BPMSM转矩子系统和悬浮子系统的数学模型。建立了转矩子系统在自然坐标系下的电压和磁链方程,考虑三次谐波电流对五相电机输出转矩的促进作用,采用推广坐标变换矩阵,建立了同步旋转坐标系下的电压方程、磁链方程、转矩方程和转子旋转运动方程;基于麦克斯韦张量法,推导了悬浮子系统转子偏心状态下的径向悬浮力数学模型,包括可控径向悬浮力和不可控径向悬浮力;采用坐标变换矩阵,建立了同步旋转坐标系下的可控径向悬浮力数学模型和悬浮运动方程。(4)提出了五相FSCDW BPMSM基于模型参考自适应的直接悬浮力控制方法,并进行了仿真验证。针对悬浮子系统传统矢量控制方法鲁棒性能弱、自适应能力差等缺点,提出双闭环的直接悬浮力控制策略;利用电压-电流模型计算绕组电流产生的磁链,采用模型参考自适应法对两套绕组的定子电阻值进行在线辨识进而提高磁链计算结果的准确性;仿真结果证明加入电阻在线辨识后的直接悬浮力控制更加精准,悬浮性能更加稳定;转矩子系统采用传统五相永磁同步电机的控制方法,对基波电流和三次谐波电流同时进行SVPWM空间矢量控制。(5)设计和开发了基于TMS320F28335的电机数字控制系统,并开展了相关实验研究。分析和研究了信号检测与调理、DSP主控电路控制、功率驱动等系统功能模块的实现方法与技术,设计了数字控制系统的硬件与软件;对五相FSCDW BPMSM的启动、调速和干扰等悬浮运行进行实验研究,实验结果表明五相FSCDW BPMSM数字控制系统能够实现电机的稳定悬浮和运转,系统具有良好的动、静态特性。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341
【图文】：

无轴承电机,高校

第 1 章绪论清华大学在无轴承异步电机的悬浮控制和不平衡振动补偿等方面展开深入研究[148-149]。江苏大学对不同结构类型的无轴承电机也做了很多研究。主要包括磁轴承、无轴承异步电机、无轴承永磁同步电机、无轴承磁阻电机、无轴承磁通切换永磁电机、多相无轴承永磁同步电机等众多电机类型。对无轴承电机的本体基础研究、精确数学模型的建立、结构参数及优化设计、无传感器技术以及新型的解耦控制策略都做了深入的研究，如：直接转矩控制、支持向量机逆系统控制、滑模控制、神经网络逆控制等[150-161]。图 1.4 为国内各科研单位研制的部分无轴承电机的样机，就目前成果而言，国内对无轴承电机还处于理论研究和样机试验阶段，相比于磁轴承支承的电机，其工业应用还需进一步努力。

【参考文献】