無軸承無刷直流電機精確數(shù)學建模及控制系統(tǒng)設計.pdf

1、無軸承無刷直流電機是將無刷直流電機和無軸承技術結合而成的一種新型電機，它的轉矩繞組和懸浮力繞組共用定子鐵心，因此具有無刷直流電機的無需勵磁、高效可靠、出力大和無軸承電機的高轉速、無磨損等多重優(yōu)勢，在血液泵、手術切割電鋸、高速/超高速離心機等生物醫(yī)學領域和飛輪儲能等新能源領域具有極高的研究價值和廣泛的應用前景。近十五年來，無軸承無刷直流電機作為一個新興方向在國內外得到了一些研究，但尚且存在結構參數(shù)優(yōu)化設計、精確數(shù)學建模以及先進控制技術與算

2、法的應用等關鍵性技術問題亟待解決。為解決這些問題，本文將進行如下幾方面的工作:
　　 首先，從無軸承無刷直流電機基本組成和本體結構出發(fā)，詳細分析轉矩與懸浮力的產生原理，從繞組分布上實現(xiàn)轉矩與懸浮力之間的解耦，為后續(xù)精確數(shù)學模型的推導奠定基礎。
　　 其次，從本文提出的無軸承無刷直流電機結構的工作原理出發(fā)，將永磁體磁動勢等效為懸浮力繞組上的虛擬電流，推導單自由度及任意位置處徑向懸浮力數(shù)學模型，給出轉矩子系統(tǒng)數(shù)學模型。數(shù)學模

3、型的建立將為電機的精確控制奠定數(shù)學基礎。
　　 再次，對推導出的無軸承無刷直流電機徑向懸浮力數(shù)學模型進行有限元分析。為得到更準確的結果，為位移剛度系數(shù)引入了修正系數(shù)，并再次對其進行了有限元驗證。簡要介紹無軸承永磁電機通用型工作原理及結構，闡述氣隙磁密幅值及其波形對電機的影響。從理論上分析磁場分布的特點，并利用Ansoft軟件對無軸承永磁電機的面貼式和Halbach陣列永磁轉子進行有限元分析與對比，得出氣隙磁密在轉子外圓周表面及轉

4、子磁軛中的分布情況。有限元分析結果表明，本文推導的數(shù)學模型具有精確性和可靠性，Halbach陣列能顯著提高氣隙磁密并增強其正弦特性。
　　 最后，設計無軸承無刷直流電機控制系統(tǒng)，介紹雙閉環(huán)轉矩子系統(tǒng)和雙閉環(huán)懸浮力子系統(tǒng)的實現(xiàn)方法及工作原理。借助MATLAB/Simulink對控制系統(tǒng)進行建模與仿真并對仿真結果進行分析，設計基于TMS320F2812平臺的實驗系統(tǒng)的軟件并闡述各主要功能模塊的具體實現(xiàn)方法。仿真結果驗證了控制系統(tǒng)的可