无轴承永磁同步电机调速及转子振动抑制研究

发布时间：2020-09-17 15:03

　　 无轴承永磁同步电机(Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor,BPMSM)是一种将磁轴承技术与传统永磁同步电机相结合的新型电机,其具备无机械摩擦、清洁、噪声低等优势,克服了传统电机因轴承摩擦引起的转速限制难题,适用于各种高速领域。然而目前BPMSM调速系统仍采用传统永磁同步电机的方法,缺乏针对BPMSM特性的转速控制研究,并且在BPMSM基速以上的转速控制方法也少有研究;因为BPMSM不依靠机械轴承仅需悬浮力就能支承转子,其质量不平衡会产生较大偏心力,导致转子出现与转速同频的振动,在BPMSM高速状态下会严重影响转子悬浮的稳定性。本论文针对上述问题提出一种基于增磁调压的BPMSM转速控制方法,将弱磁控制应用于BPMSM以实现电机基速以上的转速控制,并对BPMSM不平衡补偿控制进行了研究。本论文在江苏省重点研发计划项目(BE2016150)的支持下,围绕BPMSM的结构,工作原理,数学模型建立,调速控制及转子振动补偿等内容展开研究。论文主要工作及成果如下:1.详细介绍了BPMSM的机械结构,同时研究了电机内部转子所受到的电磁力及其作用,并阐述了BPMSM悬浮力原理,再根据电磁力特性,推出了BPMSM悬浮力和转矩精确数学模型,最后采用有限元分析来比较数学模型计算结果以证明数学模型的正确性。2.为了减小BPMSM的转速波动以及悬浮力负载对转子悬浮性能的影响,提出了一种基于增磁调压的BPMSM转速控制,基于BPMSM数学模型,阐述了增磁调压的原理,此外说明了增磁对电机突加负载时悬浮性能的作用,并基于增磁调压控制设计了BPMSM控制系统,提出了增磁和调压的协同控制方式来提高转速性能;然后提出了基于电压调节法的BPMSM弱磁控制以实现电机基速以上的转速控制,并采用了精确反馈线性化解耦控制以提高转速的动态性能。最后利用仿真验证了所提出控制策略的有效性。3.为了解决BPMSM转子质量不均匀而使转子产生同频振荡的问题,设计了一种新的不平衡补偿控制策略,通过自动搜索转子不平衡质径积,以此生成补偿信号,并详细阐述了BPMSM转子不平衡质径积的自适应搜索过程。与直接补偿不平衡力相比,转子不平衡质径积与转速无关,不需要实时对电机转速同频信号进行采样。最后通过仿真实验证明了基于不平衡质径积的补偿控制策略的可行性和有效性。4.依据BPMSM工作原理及要求,分别设计了BPMSM实验平台的软件和硬件,以TMS320F2812 DSP为控制芯片建立了BPMSM的数字控制实验平台。在数字控制系统中进行了基础性实验测试,证明了本文所设计数字控制系统的可行性,最后通过样机实验对上述提出的调速方案进行验证。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM341
【部分图文】：

过高性能电力电子器件和信号处理器来实现，按照其实现方式可以分浮。目前，磁悬浮技术在磁悬浮列车、磁轴承与无轴承电机等驱动领承利用悬浮力绕组励磁调节电磁力使轴承空间稳定悬浮。相比传统轴使转子在旋转过程中与辅助轴承无机械接触，在提高效率的同时大幅声，并且解决了由于转子机械摩擦导致的转速限制问题。此外，磁轴系统，适用于要求洁净的场合。目前国内外学者已对其做了全面深入心机、压缩机、高速电主轴及分子泵等高速高精度仪器制造领域。但固有的缺陷，其中包括：①磁轴承功率的输出能力受到其轴向长度的的组合会增加整体系统的轴向长度，从而导致工作特性受到临界转速应尽量减小整体系统的轴向长度；②成本增加，磁轴承需要额外的励生悬浮力，还增加了系统体积。因此，磁轴承支撑的电机在高功率和到技术瓶颈约束[2]，其结构如图 1.1 所示。

图 1. 2 无轴承电机结构示意图Fig. 1.2 The bearingless motor structure diagram步电机(Bearingless Permanent Magnet Synchronous 的无轴承化而提出来的，同时有永磁同步电机功率轴承无摩擦、洁净和寿命长等优势[5]。由于电机转定悬浮，要保持较强的气隙磁场，而 BPMSM 的气组且绕组允许通过较大的过载电流。因此，随着电 比其他类型无轴承电机应用前景更好[6]。技术研究现状 BPMSM 研究较多，而另外三个自由度一般由球轴要控制电机转子的五个自由度来实现转子的悬浮

江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文和扰动，难以满足实际应用要求，并且表贴式 BPMSM 的的永磁体，从而导致悬浮力被削弱。为了提高径向悬浮力埋式 BPMSM，实现了转子五自由度悬浮运行。该电机结题，但是结构复杂、体积大，临界转速受限。文献[10]构，由一个电机单元和交流磁轴承构成，如图 1.4 所示，，该 BPMSM 的轴向长度大大减少，提高了临界转速和功献[11]提出了一种锥形 BPMSM，其定转子形状并非是传统构。与圆柱型结构不同，锥形结构产生的悬浮力可以进行径轴向悬浮，无需附加轴向磁轴承。

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本文编号：2820874