单绕组无轴承异步电机径向悬浮力及控制系统研究

发布时间：2017-05-13 15:17

  本文关键词：单绕组无轴承异步电机径向悬浮力及控制系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无轴承电机(Bearingless Motors)通过改进传统电机定子结构绕组形式,为电机“无轴承”高速运行开辟了新时代。其中,无轴承异步电机(Bearingless Induction Motor,简称BIM)不仅拥有磁轴承和无轴承电机所有优点,而且能够同时实现驱动与自悬浮功能。由于BIM具有无摩擦、无磨损、不用润滑、能在高速/超高速情况下运行,且兼有结构简单、气隙匀称、成本较低等优点,在高速机床、飞轮储能、航空航天等科学领域拥有广阔前景。目前国内外已研究的BIM一般使用双绕组结构,这种结构有较大的制作难度且两套绕组叠绕在定子中可能导致短路等弊端。因此,将BIM的定子绕组设计成单绕组形式,具有深远研究价值。本文在国家自然科学基金项目(51475214、61104016)的帮助下,对单绕组BIM结构、原理、径向悬浮力的有限元模型分析及数学模型、控制策略、数字化控制等开展研究,具体内容如下:首先,介绍传统双绕组BIM结构,建立单绕组BIM结构模型。在分析单绕组BIM结构、工作原理以及径向悬浮力产生原理的基础上,推导出单绕组BIM数学模型。其次,在Ansoft软件中,建立电机模型,给出了电机2D、3D结构和绕线方式。基于电磁学理论,提出二基波径向悬浮力研究方法,推导电机径向悬浮力数学模型。在Ansoft中对比径向悬浮力有限元值随定子电流悬浮分量的变化关系,分析基于二基波法径向悬浮力数学模型值。分析得到数学模型值与有限元值基本一致的结论,为其稳定悬浮控制奠定基础。再次,在气隙磁场定向控制基础上,结合电流叠加的控制方法,构建单绕组BIM控制系统。在Matlab/Simulink中,进行建模与仿真,结果表明所用控制方法能实现单绕组BIM稳定悬浮运行。最后,使用DSP的TMS320F2812芯片,结合单绕组BIM特点,搭建了单绕组BIM数字化控制平台,并进行悬浮特性试验研究,并对实验波形进行详细分析,实验证明搭建的数字化控制平台拥有较好悬浮性能和静态性能。
【关键词】：无轴承异步电机 单绕组 有限元 气隙磁场定向 数字控制系统
【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
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 无轴承电机概述10-14
• 1.1.1 无轴承电机研究背景10-12
• 1.1.2 无轴承电机研究现状12-14
• 1.2 单绕组无轴承异步电机概述14-18
• 1.2.1 单绕组无轴承异步电机应用领域14-15
• 1.2.2 单绕组无轴承异步电机研究现状15-17
• 1.2.3 单绕组无轴承异步电机研究趋势17-18
• 1.3 本文的研究意义与研究内容18-20
• 1.3.1 研究意义18
• 1.3.2 研究内容18-20
• 第二章 单绕组无轴承异步电机基本原理20-30
• 2.1 单绕组无轴承异步电机结构20-22
• 2.2 单绕组无轴承异步电机运行机理22-28
• 2.2.1 洛伦兹力23-25
• 2.2.2 麦克斯韦力25-28
• 2.3 单绕组无轴承异步电机数学模型28-29
• 2.3.1 径向悬浮力数学模型28
• 2.3.2 旋转部分数学模型28-29
• 2.3.3 电机运动方程29
• 2.4 本章小节29-30
• 第三章 单绕组无轴承异步电机有限元模型与径向悬浮力研究30-44
• 3.1 有限元概述30-31
• 3.1.1 有限元的发展概况30-31
• 3.1.2 Ansoft Maxwell软件简介31
• 3.2 径向悬浮力产生机理与电机有限元模型31-34
• 3.2.1 产生机理31-32
• 3.2.2 电机有限元模型32-34
• 3.3 基于二基波法的径向悬浮力数学模型计算34-38
• 3.3.1 径向悬浮力数学模型35
• 3.3.2 径向悬浮力模型计算35-38
• 3.4 径向悬浮力的有限元模型38-40
• 3.4.1 径向悬浮力机理的有限元验证38-39
• 3.4.2 径向悬浮力的有限元分析39-40
• 3.5 数学计算值与有限元值的对比分析40-41
• 3.6 本章小结41-44
• 第四章 单绕组无轴承异步电机气隙磁场定向控制研究44-54
• 4.1 磁场定向控制概述44-45
• 4.2 单绕组无轴承异步电机控制系统45-48
• 4.2.1 单绕组无轴承异步电机气隙磁场定向控制算法45-46
• 4.2.2 单绕组无轴承异步电机电流叠加控制算法46-47
• 4.2.3 单绕组无轴承异步电机控制系统47-48
• 4.3 单绕组无轴承异步电机控制系统的仿真分析48-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 单绕组无轴承异步电机数字控制系统实现54-66
• 5.1 单绕组无轴承异步电机数字控制系统硬件系统设计54-61
• 5.1.1 数字控制系统主要芯片54-56
• 5.1.2 数字控制系统主要电路设计56-59
• 5.1.3 功率系统设计59-60
• 5.1.4 硬件实物模型60-61
• 5.2 单绕组无轴承异步电机数字控制系统软件系统设计61-63
• 5.2.1 主程序流程设计62
• 5.2.2 中断服务程序流程设计62-63
• 5.3 悬浮实验与特性分析63-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第六章 总结与展望66-68
• 6.1 论文工作总结66-67
• 6.2 后续研究工作展望67-68
• 致谢68-70
• 参考文献70-76
• 攻读硕士研究生期间的学术成果76

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本文编号：362900