多相單繞組永磁型無(wú)軸承電機(jī)的研究.pdf

1、本文在分析和綜合了國(guó)內(nèi)外無(wú)軸承電機(jī)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在多相電機(jī)(指相數(shù)n>4的電機(jī))系統(tǒng)及理論研究的進(jìn)展,充分利用電力電子技術(shù)應(yīng)用給傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)的相數(shù)、供電波形等新的設(shè)計(jì)自由度,和多相系統(tǒng)所具有的電機(jī)多控制自由度,設(shè)計(jì)了一種新型的多相單繞組永磁型無(wú)軸承電機(jī),并實(shí)現(xiàn)了其平穩(wěn)懸浮運(yùn)行。多相單繞組永磁型無(wú)軸承電機(jī)是多相電機(jī)領(lǐng)域與無(wú)軸承領(lǐng)域交叉的產(chǎn)物,既可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)軸承支承旋轉(zhuǎn)運(yùn)行,又具備多相電機(jī)的諸多優(yōu)勢(shì)。因此,本文綜合多相

2、和無(wú)軸承兩個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),針對(duì)其獨(dú)有的特點(diǎn)對(duì)此類(lèi)電機(jī)的設(shè)計(jì)和控制方法,進(jìn)行了廣泛而深入的分析。
　　 論文的主要工作包括:
　　 有別于目前廣泛采用的轉(zhuǎn)矩、懸浮兩套繞組,分別通過(guò)兩個(gè)變頻器供電的無(wú)軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式,本文設(shè)計(jì)了一種多相單繞組永磁型無(wú)軸承電機(jī)。該電機(jī)將多相多控制自由度理論與無(wú)軸承電機(jī)懸浮原理相結(jié)合,通過(guò)在一套多相繞組中通入兩組不同相位差的電流,映射到多相系統(tǒng)不同的平面中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和懸浮磁場(chǎng)。根據(jù)改進(jìn)繞組函數(shù)

3、法推導(dǎo)了該電機(jī)的電感矩陣,建立了計(jì)及偏心的精確數(shù)學(xué)模型,采用虛位移法推導(dǎo)了徑向力解析模型,并對(duì)其進(jìn)行了有限元仿真驗(yàn)證。討論分析了多相單繞組無(wú)軸承電機(jī)的相數(shù)的選擇、繞組結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩平面極對(duì)數(shù)選擇和定子銅耗等相關(guān)問(wèn)題。
　　 借鑒雙繞組無(wú)軸承電機(jī)的控制思路設(shè)計(jì)了多相單繞組永磁型無(wú)軸承電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng),針對(duì)無(wú)軸承電機(jī)懸浮系統(tǒng)的控制模型,設(shè)計(jì)了雙環(huán)PHD-PD控制器對(duì)電機(jī)懸浮環(huán)進(jìn)行控制,即先將系統(tǒng)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的控制模型,再通過(guò)外環(huán)控

4、制器改善系統(tǒng)性能,并給出了對(duì)無(wú)軸承系統(tǒng)該方法與傳統(tǒng)PID算法參數(shù)的關(guān)系。
　　 研制了以／MS320F2812為核心的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),區(qū)別于傳統(tǒng)多相電機(jī)中利用諧波平面電壓矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)改善磁場(chǎng),提高功率密度以及提高電壓利用率等控制目標(biāo),針對(duì)多相單繞組無(wú)軸承電機(jī)的特點(diǎn),通過(guò)選取諧波平面電壓空間矢量,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的平穩(wěn)懸浮。
　　 針對(duì)的5相單繞組永磁型無(wú)軸承電機(jī),從直流母線電壓利用率的角度,討論了直流母線電壓對(duì)d1-q1平面和d2

5、-q2平面電壓調(diào)制度的限制。發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)單純?cè)黾油饧討腋×_動(dòng)可能出現(xiàn)兩種故障:(1)較輕微的可恢復(fù)故障(廣泛存在于傳統(tǒng)的無(wú)軸承電機(jī)中),(2)較為嚴(yán)重的電機(jī)失步.通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定了五相單繞組無(wú)軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定工作運(yùn)行區(qū)域,探究了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)出現(xiàn)失步的原因,并給出了初步的解決方案。
　　 針對(duì)無(wú)軸承電機(jī)氣隙變化比較頻繁的特點(diǎn),采用基于滑模觀測(cè)器的無(wú)位置傳感器算法對(duì)轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行觀測(cè),采用飽和函數(shù)、變頻率濾波等方法消除系統(tǒng)

6、抖震,改善系統(tǒng)辨識(shí)反電勢(shì)波形,實(shí)現(xiàn)了五相單繞組無(wú)軸承電機(jī)的無(wú)位置傳感器運(yùn)行，充分利用多相單繞組無(wú)軸承電機(jī)多自由度的特性,提出當(dāng)相數(shù)大于6時(shí),可以通過(guò)多相電機(jī)的空余平面(d3-q3)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位移信息,分析了該電機(jī)中永磁體低次諧波對(duì)電機(jī)懸浮性能以及信號(hào)檢測(cè)的影響,仿真結(jié)果對(duì)所提方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 根據(jù)多相電機(jī)的特點(diǎn),討論了多相單繞組交替極無(wú)軸承電機(jī)與普通交替極無(wú)軸承電機(jī)懸浮力的區(qū)別,分析了多相單繞組無(wú)軸承交替極永磁型無(wú)