多相单绕组永磁无轴承电机悬浮参数的分析与辨识

发布时间：2019-11-08 22:01

【摘要】：多相单绕组永磁无轴承电机是多相电机领域与无轴承领域的交叉产物,它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。其中,悬浮参数对多相单绕组永磁无轴承电机的转矩与悬浮性能具有重要影响,其主要包括转矩电感、悬浮电感与互感系数。本文主要围绕悬浮参数的计算与辨识展开分析与讨论。对应用于多相单绕组永磁无轴承电机中的多相半极绕组的绕组函数、磁动势、转矩电感、悬浮电感、互感系数和悬浮力等进行了详细的理论分析和公式推导；对电机设计参数给悬浮参数带来的影响进行了详细的电磁计算与分析；利用模型参考自适应理论对悬浮参数进行了参数辨识仿真并进行了极点配置优化；研制了用于多相单绕组永磁无轴承电机的实验平台,并对悬浮参数的辨识算法与极点配置进行了实验验证。论文的主要工作包括： 1)对多相全极绕组与多相半极绕组在不同相数下的磁动势分布进行了详细的分析,得出了两种绕组的特点及其适用范围；利用多相半极绕组可以同时产生奇、偶次磁动势的特点,可以将其应用到无轴承电机领域,从而形成多相单绕组无轴承电机；根据改进绕组函数法分别推导了多相永磁内置式与表贴式无轴承电机的电感矩阵,并通过有限元仿真对其进行了验证；在已得到的电感矩阵的基础上,根据虚位移法推导出了多相永磁内置式与表贴式无轴承电机的径向力解析模型,利用有限元法分析比较了这两种无轴承电机悬浮磁场分布与径向力的异同,并分析了电枢反应对这两种无轴承电机悬浮特性的影响；最后,建立了这两种无轴承电机的数学模型,包括电压方程、转矩方程和转子运动方程。 2)无轴承电机的磁极结构需满足P2=P1±1的要求,分析并推导了适用于凸极转子无轴承电机与隐极转子无轴承电机四极驱动绕组/二极悬浮绕组结构(4-2型)与二极驱动绕组/四极悬浮绕组结构(2-4型)的电感矩阵与悬浮力解析式,并用有限元法进行了验证；推导了多相半极绕组中2n/m相带绕组和π/m相带绕组的绕组函数解析式,分析了两种绕组在不同相数、不同节距下的空间谐波分布,并利用有限元法对不同相数与极距组合下的气隙磁密与悬浮力进行了计算,得出了适用于不同相数下最优的相带绕组；分别分析并比较了不同极弧系数、气隙长度与永磁体厚度对多相单绕组永磁无轴承电机气隙磁密、转矩电感、悬浮电感、互感系数、磁链与悬浮力的影响,最后综合了上述三个设计参数对悬浮参数的影响。 3)多相永磁无轴承电机的优异控制离不开精确的数学模型和准确的悬浮参数。探讨了模型参考自适应原理在多相单绕组永磁无轴承电机参数辨识中的应用,建立了各悬浮参数的辨识模型,分别推导出适用于转矩电感、悬浮电感和互感系数估算的辨识器,并通过Simulink仿真验证了各悬浮参数辨识算法的有效性。为使各悬浮参数的收敛速度更快,鲁棒性更高,对悬浮参数辨识系统进行极点配置。根据各悬浮参数的特点,对各悬浮参数进行了反馈矩阵的设计,并进行了Simulink仿真,仿真结果验证了极点配置的有效性。 4)研制了适用于任意相数的多相单绕组永磁无轴承电机系统的实验平台。该实验平台以数字信号处理器TMS320F28335和现场可编程门阵列EP2C8Q208C8为核心,包含主回路、隔离驱动电路、信号采样电路和故障保护电路等；两个主控芯片分别负责控制算法和PWM波的产生,并通过DMA和LPM RAM传输数据。在该实验平台上,首先进行了转矩电感、悬浮电感和互感系数的离线测量,以验证解析解的正确性,并作为悬浮参数辨识的参考值；然后,进行了极点配置前后转矩电感的辨识对比实验,实验结果验证了极点配置的有效性；最后,分别在转子稳定旋转与加速旋转时对各悬浮参数进行了在线辨识,实验结果验证了辨识算法的有效性。
【图文】：

示意图,麦克斯韦,示意图,转子

形成表面张力1147]。无论转子是否偏心，麦克斯韦力始终存在，只是在转子无偏心时，转子所受到的麦克斯韦力因大小相等、方向相反而抵消，如图2.2.1(a)所示；而当转子偏心时，麦克斯韦力偏向因气隙减小而气隙磁密增大的一侧，如图2.2.1(b)所示。a)均匀气隙下的磁矢量分布图 b)偏心情况下的磁矢量分布图图2.2.1麦克斯韦力示意图由图2.2.1可知，转子偏心引起的麦克斯韦力的方向和转子的偏心位移方向一致，偏心过程形成正反馈，故普通电机不具有偏心故障的自恢复能力。为使电机转子可以回到中心继续旋转，需要给转子施加一个与偏心方向相反的可控力。21

无轴承电机,永磁,剖分,模型

在电感矩阵有限元模型的基础上，进行气隙磁场和悬浮力的有限元分析，电机剖分模型如图2.4.1所示。令A相绕组轴线与永磁体N极轴线重合，分别通入不同相位的悬浮电流，其所对应的气隙磁密如图2.4.2所示。mma)表贴式 b)内置式图2.4.1永磁无轴承电机模型剖分在未通入悬浮电流/?,2之前，气隙磁场仅有永磁体磁场。由图2.4.2(a)可以看出，永磁表贴式无轴承电机的气隙磁密正弦性较好，而永磁内置式无轴承电机受转子凸极影响，气隙磁密腰部有较大的落差。当通入悬浮电流/?,2后，气隙磁场中同时存在1对极的永磁体磁场和2对极的悬浮磁场，，两个磁场叠加使得气隙磁场发生扭曲
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM301

【参考文献】