无轴承外转子异步电机设计及其控制系统研究

发布时间：2017-04-11 00:42

  本文关键词：无轴承外转子异步电机设计及其控制系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无轴承异步电机将磁悬浮技术与传统异步电机相结合,不仅具有无轴承电机无摩擦、无磨损、轴向空间利用率高、转子临界转速高等优点,同时具有传统异步电机结构简单、气隙均匀、成本低等优点,成为目前无轴承电机领域的研究热点之一。本文在国家自然科学基金项目“数控机床高速磁悬浮电主轴自适应逆解耦控制及数字化技术(61174055)”等多项课题资助下,对无轴承异步电机的机械结构、运行机理、电磁分析、运行控制、数字系统等方面开展研究,设计了无轴承外转子异步电机,优化设计了主要的结构与电磁参数;采用无轴承外转子异步电机转子磁场定向控制方法,实现了电机转子的高精度稳定悬浮;基于数字信号处理器TMS320F2812,设计了无轴承异步电机数字化控制系统,并开展了相关的仿真与实验研究。主要内容如下:首先,在分析无轴承外转子电机径向悬浮力和电磁转矩产生原理的基础上,采用麦克斯韦张量法分段积分推导电机径向悬浮力数学模型,并分析了无轴承外转子异步电机的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。其次,设计了无轴承外转子异步电机的主要结构与电磁参数,研制了实验样机。在保证无轴承异步电机最小转矩脉动和悬浮力脉动的前提下,以最大悬浮力和最大输出转矩为优化目标,提出将传统电机设计方法和有限元设计相结合的无轴承异步电机参数优化方法;针对无轴承异步电机悬浮绕组的特殊性,分析了电机各参数对电机悬浮力及转矩的影响,研究了转矩绕组电流和悬浮绕组电流产生悬浮力耦合关系;设计了无轴承外转子异步电机样机,开展了初步的实验验证研究,验证了设计方法的合理性。最后,构建以TMS320F2812数字信号处理器为核心的无轴承外转子异步电机数字控制系统。设计了硬件驱动电路和模块化系统控制软件程序,并且以本文设计的无轴承外转子异步电机为控制对象进行二自由度实验研究。实验结果验证了理论的正确性,为进一步研究无轴承电机的五自由度悬浮控制奠定了基础。
【关键词】：无轴承外转子异步电机 数学模型 有限元分析 电机设计 数字控制
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM343
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 无轴承电机概述9-15
• 1.1.1 无轴承电机的研究背景9-10
• 1.1.2 无轴承电机的研究概况10-15
• 1.2 无轴承异步电机的发展趋势15-16
• 1.3 论文工作的提出16
• 1.4 论文的内容安排16-17
• 第二章 无轴承外转子异步电机基本原理17-27
• 2.1 引言17
• 2.2 无轴承外转子异步电机的工作原理17-19
• 2.2.1 传统电机电磁力17-18
• 2.2.2 悬浮力产生机理18-19
• 2.3 无轴承外转子异步电机悬浮力分析19-24
• 2.3.1 无轴承外转子异步电机中的洛伦兹力19-20
• 2.3.2 无轴承外转子异步电机中的麦克斯韦力20-24
• 2.4 无轴承外转子异步电机数学模型24-26
• 2.4.1 无轴承外转子异步电机悬浮力数学模型24
• 2.4.2 无轴承外转子异步电机转矩数学模型24-25
• 2.4.3 无轴承外转子异步电机运动方程模型25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 无轴承外转子异步电机结构参数设计27-43
• 3.1 引言27
• 3.2 无轴承外转子异步电机设计27-34
• 3.2.1 电机尺寸及气隙设计27-29
• 3.2.2 电机定转子槽形设计29-31
• 3.2.3 电机转矩绕组设计31-33
• 3.2.4 电机悬浮绕组设计33-34
• 3.3 无轴承外转子异步电机电磁场有限元法34-35
• 3.3.1 有限元法的基本理论34
• 3.3.2 无轴承外转子异步电机有限元法34-35
• 3.4 无轴承外转子异步电机优化设计35-40
• 3.4.1 电机磁场分布35-36
• 3.4.2 电机有限元分析36-40
• 3.5 无轴承外转子异步电机电磁性能分析40-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第四章 无轴承外转子异步电机数字控制系统研究43-63
• 4.1 引言43
• 4.2 无轴承外转子异步电机转子磁场定向控制策略43-48
• 4.2.1 磁场定向控制策略43
• 4.2.2 转子磁场定向控制43-45
• 4.2.3 矢量控制系统的仿真与分析45-48
• 4.3 无轴承外转子异步电机的硬件系统48-58
• 4.3.1 数字信号处理器49
• 4.3.2 主电路设计49-52
• 4.3.3 控制电路设计52-56
• 4.3.4 电源电路设计56-58
• 4.4 无轴承外转子异步电机控制系统软件实现58-59
• 4.5 试验结果59-62
• 4.5.1 在线试验过程59
• 4.5.2 试验结果分析59-62
• 4.6 本章小结62-63
• 第五章 总结与展望63-65
• 5.1 论文的主要工作63
• 5.2 研究工作展望63-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 硕士期间发表的论文70

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本文编号：297895