非晶无轴承永磁同步电机的仿真与控制
发布时间：2021-11-05 06:04
现代工业及生活的发展进步对电机性能和质量的要求越来越高,传统电机因轴承存在机械摩擦而在性能上受到诸多限制。因此,为提高电机性能以及应对某些特殊工作场合,无轴承电机逐渐兴起,在生命科学、化工制药、航空航天等领域拥有可观前景。无轴承永磁同步电机具有无摩擦、损耗小、效率高等优势,将高磁导率的非晶合金材料应用于无轴承永磁电机定子铁心中,能够进一步降低电机铁耗,提升电机效率。本文针对非晶无轴承永磁同步电机进行了设计与仿真实验,具体研究内容如下:首先,回顾了无轴承电机的研究历史以及非晶合金材料的出现和发展,分析了现下无轴承电机的研究热点和非晶合金在电机中的使用现状。在此基础上,为追求更高性能,提出将无轴承电机技术与非晶合金材料相结合,设计了非晶无轴承电机,选用结构简单且效率高的永磁电机,同时为简单化制造工艺并减小绕组所占空间,电机采用单绕组结构。其次,分析了无轴承电机工作原理及电机中的电磁力特点,解释了电机内部两种极对数相差1的磁场产生悬浮力的原理,确定了电机定子绕组中的悬浮和转矩电流表达式,并设计了电机的基本结构。推导了同步坐标系下计及转子偏心状态的电感矩阵,最后具体列出电机数学模型。对于电机的...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１麦克斯韦力示意图??普通电机的转子由轴承固定，默认始终与定子轴线同心，而无轴承电机??
?山东大学硕士学位论文???图２－２无轴承永磁同步电机原理图??为方便分析两种磁场相互作用关系及电磁力，暂且不考虑电机转子重??力，在数学模型中再行分析。该情况下若转子处于中心位置无偏移，则不需??要悬浮绕组、％作用，此时电流为０，与普通永磁电机相同，电机中永??磁体产生对称的２对极磁场，如图中虚线所示，各处气隙磁密均相等，此时??转子所受的麦克斯韦力合力为零［５３］，在转矩绕组Ｋ和％中通电流后产生的??两对极磁场与永磁体磁场相互作用形成电磁转矩，驱动电机旋转；当悬浮绕??组＃、．和％通入电流生成１对极磁场时，如图中实线所示。当通入图中??所示电流时，气隙磁密不再对称，可以看到１区磁密增加、２区磁密减小，??此时转子两侧气隙磁密不对称会造成电机转子在水平ｘ方向受力不均，合力??指向ｘ轴正方向，则转子受该力后将会向Ｘ轴正方向移动，当该电流反向时，??悬浮力将指向ｘ轴负方向并趋使转子移动。同理Ｖ，绕组也可以通过改变通??入电流方向控制气隙磁密变化，以制造沿７轴正、负方向的悬浮力。??２．２六相单绕组无轴承永磁同步电机工作原理??单绕组无轴承电机旨在使用一套绕组完成传统无轴承电机两套绕组的??功能，通过特定的绕组结构和控制方法，达到同时为转子提供电磁转矩和悬??浮力的目的。与传统双绕组工艺相比的优势在于，采用单绕组形式的无轴承??电机绕线更加简单，制作工艺难度降低，同时也降低了电机损耗。??在依然沿用传统无轴承电机悬浮原理的前提下，为进一步改善电机结??构、简化制作工艺，将电机定子绕组设计为多相单绕组，再通入两组相位差??不同的电流来获得与普通双绕组无轴承电机相同的效果。借鉴多相系统的多??１２??
?山东大学硕士学位论文???￣秦??Ｗ??图２－３无轴承永磁同步电机绕组分布??电机定子共２４槽，每相绕组占４个槽，六相绕组采用分布式绕组结构??嵌入定子槽内，电机转子采用４极平行充磁表贴式永磁体。六相绕组沿圆周??均匀分布，与双Ｙ移１８０°双三相永磁同步电机在绕组设计上相似，各相分??布由字母标注在图中，正负号分别表示该相绕组的输入端和输出端。??根据上节分析的电流矢量／（？，幻及其磁场分布，为使电机定子产生２对??极转矩磁场和１对极悬浮磁场，以上结构的电机定子绕组中每相所通的转矩??电流和悬浮电流４丨Ａ￣Ｗ）如式（２－１０）所７Ｋ：??＾ｔＡ?＝?Ａ?ｃ〇ｓ（＜＾０?ｆｓＡ?＝?／ｓ?ｃｏｓ〇〇??ｚｔＢ?＝?＇?ｃ〇ｓ（６＾?＋?２；ｒ／３）?ｉｓＢ?＝?Ｉｓ?ｃｏｓ（ｃｏｔ?－?２ｔｔ／３）??ｚｔｃ?＝?Ａ?ｃ〇ｓ（奴—２；ｒ／３）?ｉｓＣ?＝?Ｉｓ?ｃｏｓ（ｃｏｔ?＋?２＾／３）??／ｔＵ?＝?／ｔ?ｃｏｓ（ｃｏｔ）?ｚｓＵ?＝?Ｉｓ?ｃｏｓ（ｃｏｔ?－?７ｒ）?（２?１?〇）??／ｔＶ?＝?Ｉｘ?ｃｏｓ（ｃｏｔ?＋?２＾／３）?／ｓＶ?＝?Ｉｓ?ｃｏｓ（ｃＤｔ?＋?７ｒ／３）??／ｔＷ?＝?／ｔ?ｃｏｓ（＾?－?Ｉｎ／？＞）?／ｓＷ?＝?Ｉ％?ｃｏｓ（ｃｏｔ?－?７ｒ／３）??其中，／ｔ、／ｓ分别为转矩电流幅值和悬浮电流幅值。??２．４六相单绕组无轴承永磁同步电机数学模型??２．４．１基于改进绕组函数法求解电机电感??无轴承电机转子拥有一定运动范围，设发生偏心时转子位置如图２－４所??示，此时其电感与普通电机也不尽相同。为了使其数学模型更精确，对电感??矩阵的分析计算必不可少。??１
本文编号：3477228
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１麦克斯韦力示意图??普通电机的转子由轴承固定，默认始终与定子轴线同心，而无轴承电机??
?山东大学硕士学位论文???图２－２无轴承永磁同步电机原理图??为方便分析两种磁场相互作用关系及电磁力，暂且不考虑电机转子重??力，在数学模型中再行分析。该情况下若转子处于中心位置无偏移，则不需??要悬浮绕组、％作用，此时电流为０，与普通永磁电机相同，电机中永??磁体产生对称的２对极磁场，如图中虚线所示，各处气隙磁密均相等，此时??转子所受的麦克斯韦力合力为零［５３］，在转矩绕组Ｋ和％中通电流后产生的??两对极磁场与永磁体磁场相互作用形成电磁转矩，驱动电机旋转；当悬浮绕??组＃、．和％通入电流生成１对极磁场时，如图中实线所示。当通入图中??所示电流时，气隙磁密不再对称，可以看到１区磁密增加、２区磁密减小，??此时转子两侧气隙磁密不对称会造成电机转子在水平ｘ方向受力不均，合力??指向ｘ轴正方向，则转子受该力后将会向Ｘ轴正方向移动，当该电流反向时，??悬浮力将指向ｘ轴负方向并趋使转子移动。同理Ｖ，绕组也可以通过改变通??入电流方向控制气隙磁密变化，以制造沿７轴正、负方向的悬浮力。??２．２六相单绕组无轴承永磁同步电机工作原理??单绕组无轴承电机旨在使用一套绕组完成传统无轴承电机两套绕组的??功能，通过特定的绕组结构和控制方法，达到同时为转子提供电磁转矩和悬??浮力的目的。与传统双绕组工艺相比的优势在于，采用单绕组形式的无轴承??电机绕线更加简单，制作工艺难度降低，同时也降低了电机损耗。??在依然沿用传统无轴承电机悬浮原理的前提下，为进一步改善电机结??构、简化制作工艺，将电机定子绕组设计为多相单绕组，再通入两组相位差??不同的电流来获得与普通双绕组无轴承电机相同的效果。借鉴多相系统的多??１２??
?山东大学硕士学位论文???￣秦??Ｗ??图２－３无轴承永磁同步电机绕组分布??电机定子共２４槽，每相绕组占４个槽，六相绕组采用分布式绕组结构??嵌入定子槽内，电机转子采用４极平行充磁表贴式永磁体。六相绕组沿圆周??均匀分布，与双Ｙ移１８０°双三相永磁同步电机在绕组设计上相似，各相分??布由字母标注在图中，正负号分别表示该相绕组的输入端和输出端。??根据上节分析的电流矢量／（？，幻及其磁场分布，为使电机定子产生２对??极转矩磁场和１对极悬浮磁场，以上结构的电机定子绕组中每相所通的转矩??电流和悬浮电流４丨Ａ￣Ｗ）如式（２－１０）所７Ｋ：??＾ｔＡ?＝?Ａ?ｃ〇ｓ（＜＾０?ｆｓＡ?＝?／ｓ?ｃｏｓ〇〇??ｚｔＢ?＝?＇?ｃ〇ｓ（６＾?＋?２；ｒ／３）?ｉｓＢ?＝?Ｉｓ?ｃｏｓ（ｃｏｔ?－?２ｔｔ／３）??ｚｔｃ?＝?Ａ?ｃ〇ｓ（奴—２；ｒ／３）?ｉｓＣ?＝?Ｉｓ?ｃｏｓ（ｃｏｔ?＋?２＾／３）??／ｔＵ?＝?／ｔ?ｃｏｓ（ｃｏｔ）?ｚｓＵ?＝?Ｉｓ?ｃｏｓ（ｃｏｔ?－?７ｒ）?（２?１?〇）??／ｔＶ?＝?Ｉｘ?ｃｏｓ（ｃｏｔ?＋?２＾／３）?／ｓＶ?＝?Ｉｓ?ｃｏｓ（ｃＤｔ?＋?７ｒ／３）??／ｔＷ?＝?／ｔ?ｃｏｓ（＾?－?Ｉｎ／？＞）?／ｓＷ?＝?Ｉ％?ｃｏｓ（ｃｏｔ?－?７ｒ／３）??其中，／ｔ、／ｓ分别为转矩电流幅值和悬浮电流幅值。??２．４六相单绕组无轴承永磁同步电机数学模型??２．４．１基于改进绕组函数法求解电机电感??无轴承电机转子拥有一定运动范围，设发生偏心时转子位置如图２－４所??示，此时其电感与普通电机也不尽相同。为了使其数学模型更精确，对电感??矩阵的分析计算必不可少。??１
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