高速无轴承永磁电机设计与分析

高速电机具有高功率密度、能够减小设备体积与重量,可以直接驱动负载、提高传动效率,在航空航天、新能源、精密制造等领域具有广阔的应用前景。将无轴承永磁电机应用于高速驱动系统,在推导无轴承永磁电机数学模型基础上,提出了高速无轴承永磁电机设计方法。通过对一台额定功率2 300 W、额定转速8 000 r/min、调速范围0~60 000 r/min的高速无轴承永磁电机进行电磁和机械一体化设计,并采用有限元法对样机的电磁性能和动力学性能进行优化。仿真试验结果验证了所采用的设计方法的正确性。     

高速永磁电机的转子涡流损耗分析

在高速永磁电机中,转子涡流损耗会使转子温度升高,影响电机效率等性能,甚至导致永磁体过热退磁.针对高速永磁电机中的转子涡流损耗问题,进行了解析分析和有限元计算,分析了产生转子涡流损耗的谐波来源,研究了不同定转子结构电机的转子涡流损耗,分析了定子槽数、槽口宽度、气隙长度、屏蔽层、定子齿开辅助槽对转子涡流损耗的影响.结果表明,增加定子槽数、减小槽口宽度、增加气隙长度可以减小转子涡流损耗;在护套和永磁体中间加一层高电导率屏蔽层能有效减小永磁体的涡流,且选择合适的屏蔽层厚度能够进一步减小转子涡流损耗;提出了使用合适宽度、深度、角度和槽型的辅助槽来减小转子涡流损耗、帮助电机散热的新方法.对高速永磁电机的研制具有重要的理论研究和工程应用价值.     

无轴承永磁薄片电机控制系统的设计与实现

无轴承薄片电机可实现五自由度悬浮,在超纯净等领域具有应用优势。介绍了转矩绕组1对极、悬浮绕组2对极、集中式绕组的无轴承表贴式永磁薄片电机的数学模型,针对悬浮力和电磁转矩的控制特点,设计了以TMS320F2812为核心的数字控制实验平台,并对其工作原理进行了分析。在此基础上设计了控制系统的软件,并给出了主要子程序的流程图。通过联合调试整个实验平台硬软件系统,实现了转速达到15 000 r/min高速稳定悬浮。     

无轴承永磁电机转子径向力实验研究

在介绍无轴承电机径向力产生机理的基础上,全面考虑产生径向力的因素,建立其径向力和转矩的数学模型.采用有限元计算和分析方法,研究了电机气隙磁场分布、径向力大小与径向力绕组电流和极对数之间的关系,并进行了实验研究.研究结果对无轴承永磁电机的优化设计及控制系统设计具有重要的指导意义和参考价值.     

Halbach阵列永磁型无轴承电机特性研究

在分析永磁型无轴承电机径向悬浮力产生机理及转子永磁体Halbach阵列基础上,设计了一种Halbach阵列永磁型无轴承电机,采用耦合电路瞬态有限元分析方法对径向磁化永磁转子和Halbach阵列永磁转子的气隙磁密波形及高次谐波、径向悬浮力、反电动势及转矩进行比较分析。研究结果表明:永磁型无轴承电机转子永磁体采用Halbach阵列结构能显著提高气隙磁密幅值及其正弦特性,增大径向悬浮力与转矩,减小悬浮力、转矩及反电动势的脉动。     

无轴承电机

在高速机床、涡轮分子泵、高速飞轮等设备中需要高速或超高速电机来驱动。用机械轴承支撑时，转子高速运行时产生的磨擦阻力会使轴承磨损加剧，造成电机气隙不均，绕组发热，降低了电动机工作效率，缩短了电动机和轴承使用寿命，而使用了无轴承电机，它的优点诸多，无磨损、无润滑、无粉尘、无磨擦、而且结构简单、易强磁、高速度、高精度、可靠性强、长寿命等特点而备受关注。[第一段]     

无轴承永磁薄片电机综述

无轴承永磁薄片电机由于永磁转子的特殊性,不仅具有无轴承电机的优点而且可以实现3个自由度(1个轴向自由度和2个扭转自由度)的被动悬浮,使得控制系统更加简单。在论述无轴承永磁薄片电机被动悬浮和径向主动悬浮机理的基础上,对无轴承永磁薄片电机的电机结构、控制策略、传感器检测技术等方面的国内外研究现状以及未来的发展趋势进行了归纳与总结。     

高速永磁电机转子涡流损耗解析计算

高速永磁同步电机采用变频器供电含有大量谐波、频率高等特点导致转子涡流损耗升高,从而使电机温度上升,给散热带来困难,影响电机效率、永磁体性能等指标。针对表贴式高速永磁电机,推导转子涡流损耗的解析计算,该方法在极坐标系下建立物理模型,考虑气隙长度、护套、永磁体等子域,并为了提高模型的计算精度,考虑了涡流反应影响和定子的开槽效应。以一台15kW表贴式高速永磁电机为例,采用正弦波供电和PWM供电两种供电方式,分析气隙长度、槽开口宽度以及护套材料对转子涡流损耗的影响。将解析法的计算结果和有限元法结果进行比较,验证解析方法的准确性。     

永磁型无轴承电机的无传感器运行研究

在分析高频信号激励下永磁同步电机数学模型的基础上，针对永磁型无轴承电机无传感器运行的需要，提出了一种基于电机空间凸极跟踪的转子位置估算自检测方法，讨论了利用高频信号注入、外差法空间凸极信号提取及转子位置跟踪观测器设计等位置检测原理和实现技术，并应用这种位置检测方法建立了永磁型无轴承电机无位置传感器的矢量控制系统。仿真研究表明，上述空间凸极跟踪方法能在内插式永磁型无轴承电机全速范围内准确地观测出转子的位置，能在高、低速和大负载扰动下实现无传感器方式的稳定悬浮运行。     

Halbach阵列无轴承永磁电机有限元分析

针对气隙磁密对无轴承永磁电机可靠性、转矩脉动及径向悬浮力的影响,提出了Halbach阵列永磁转子结构。从无轴承永磁电机的转子结构出发,对常规面贴式永磁转子和Halbach阵列永磁转子进行了比较分析,并用Ansoft进行了有限元分析,得出了两种不同转子结构的磁力线分布图及气隙磁密波形,分别对两种转子结构的无轴承永磁电机的径向悬浮力与悬浮力绕组电流的关系进行了对比。分析结果表明:Halbach阵列应用在无轴承永磁电机中能显著提高气隙磁密及其正弦特性,增大径向悬浮力。Halbach阵列应用于无轴承永磁电机具有可行性和可靠性。     

Characteristics of a permanent magnet type bearingless motor

Super high-speed and high-power electric machines are required for turbomolecular pumps and spindle drives. High rotational speed and high power drives can be achieved with bearingless motors. In this paper, a bearingless motor with the principles of permanent magnet type synchronous motors is proposed. High power factor and high efficiency can be expected in permanent magnet type bearingless motors. The proposed bearingless motor is a 4 pole permanent magnet synchronous motor, in which additional 2-pole windings are wound together with 4-pole motor windings in stator slots. With currents of 2-pole windings, radial magnetic forces are produced to support a rotor shaft. Principles of radial force production of surface-mounted permanent magnet bearingless motors are analyzed mathematically. It was found that radial forces are efficiently produced by employing thin permanent magnets on the surface of rotor iron core. A test machine was built in order to measure inductance functions as well as relationships between voltages and currents     

谐波磁场下永磁体涡流损耗测试与分析

针对永磁电机的时间谐波和空间谐波引起电机中永磁体涡流损耗增加的问题,本文搭建了永磁体谐波磁特性测试系统.分析了基波叠加不同谐波次数、含量和相角之后磁通密度B的波形变化规律,测量了钕铁硼(NdFeB)永磁体在不同谐波激励下的动态磁滞回线,研究了谐波次数、含量和相角三个因素对钕铁硼涡流损耗的影响,并对比了钕铁硼、钐钴(Sm2Co17)、铝镍钴(AlNiCo)三种永磁材料在谐波磁场下的磁特性.结果证明谐波次数和含量对永磁体涡流损耗具有较大影响,谐波相角对永磁体涡流损耗无明显影响.研究结果对永磁电机的电磁优化和设计具有重要的参考价值.     

Analysis of inductance characteristics for a bearingless permanent magnet synchronous motor

In this paper, the inductance characteristics of a 2-pole surface-mounted bearingless permanent magnet synchronous motor (BPMSM) with 4-pole suspension force windings are investigated based on theoretical analysis and experimental investigation. Firstly, the winding configuration and operation principle of the BPMSM are presented. Secondly, the static and incremental inductances are defined. Then, based on the finite element (FE) analysis method, the static inductances of torque windings and suspension force windings in stator static coordinate reference are researched. In addition, the d- and q-axes static inductances in rotor revolving coordinate reference are obtained by 3/2 Transformation. Furthermore, taking the torque windings as an example, the incremental inductance of torque windings is studied, and the validity of the theory is confirmed by comparing the static and incremental inductances. Finally, the experimental study is carried out to verify the discussed numerical analysis. The results are helpful to measure parameters and build the mathematic model of BPMSMs, and lay a foundation for the further research on BPMSMs.     

计及永磁体涡流损耗分布特性的实时热计算方法

针对提高永磁电机温升计算准确性的问题,提出一种计及永磁体涡流损耗分布特性的实时热计算方法。依据温度对电机内各材料属性有所影响,且永磁体涡流损耗有其特有的分布特性的事实,提出并采用计及永磁体涡流损耗分布特性的实时热计算方法,以一台10 k W变频驱动永磁同步电动机为例进行实例计算,与普通未计及永磁体涡流损耗分布特性、没有使用实时热计算方法的温升计算方法对比,经在线温升测量,验证了计及永磁体涡流损耗分布特性的实时热计算方法能有效提高温升计算的准确性,可使计算结果与实验结果之间的误差缩小到0.5%之内。     

无轴承永磁薄片电机不同转子结构的对比研究

转子结构影响电机的气隙磁通密度,从而影响无轴承永磁薄片电机可控性、转矩脉动以及径向悬浮力等性能。本文从无轴承永磁薄片电机不同的永磁转子结构(表贴式、表面嵌入式、Halbach阵列以及平行充磁环形转子)出发,对其机械强度、磁场分布等进行对比分析。基于麦克斯韦张量法提出了无轴承永磁薄片电机在任意极对数下的数学模型,运用Ansoft对其计算精度进行验证分析,并对具有不同永磁转子结构的无轴承永磁薄片电机径向悬浮力与悬浮力绕组电流之间的关系进行对比分析,得到不同永磁转子结构的优缺点。样机试验验证了仿真结果的正确性,研究结果对无轴承永磁薄片电机转子的参数优化设计具有参考价值。     

一种新型双三相无轴承永磁同步电机结构原理及控制研究

针对传统无轴承永磁同步电机内部两套绕组结构复杂、可靠性低等缺点,提出了一种新型双三相绕组结构的无轴承永磁同步电机。电机采用分布式绕组结构并分为两个空间对称的独立三相绕组单元,通过两个三相逆变器在两个绕组单元中同时通入两组不同序列的电流实现电机的无轴承运行。推导了悬浮力与转矩数学模型。在Ansoft中建立有限元模型,分析了电机在两组电流控制下的磁场分布状况,分别计算了悬浮力与转矩随电流变化的关系,以及偏心磁拉力与转子偏移量的关系,仿真模型计算结果与理论模型计算结果基本吻合。建立了一种控制电机对称相电流不平衡的控制策略,将电机等效为两个普通三相电机,两个电机控制部分中的空间矢量脉宽调制模块SVM所需的信号由转矩电流参考值和悬浮力电流参考值合成再调制得到。采用Matlab软件构建了仿真系统,仿真结果表明,本文提出的双三相无轴承永磁同步电机在该控制策略下能够实现转子的高速旋转与稳定悬浮。     

高速永磁同步电机电枢电流谐波分析

在高速永磁同步电机谐波分析中,主要有解析和仿真两种方法。解析法则适用于连续系统,而仿真法适用于离散系统的,但两种方法之间关联性问题研究相对较少,针对此问题,提出一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术电枢电流谐波解析法和仿真法内在关联的分析方法。根据连续函数和离散函数的傅里叶级数公式,分析了这两种方法在谐波计算中偏差的分布规律。分析结果表明,采样频率和负载是离散电枢谐波计算的主要影响因素,随着采样频率的升高电枢电流谐波呈现振荡阻尼衰减的特性,并收敛于连续系统的解析值,而负载则能降低振荡幅值和提高收敛速度。构建了基于DSP的永磁同步电机系统实验平台,实验结果验证了该分析方法的有效性。     

基于参数自适应的永磁同步电机无差拍预测电流控制

无差拍预测电流控制(dead-beat predictive current control,DPCC)因其响应迅速而在电机控制领域具有较大应用潜力,然而受参数敏感影响,该方法鲁棒性不高。为此,文中提出一种结合参数自适应的永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine,PMSM)电流无差拍控制方法,以解决无差拍控制在参数失调下的鲁棒性问题。首先,介绍无差拍电流控制的基本原理。随后,重点分析在电机参数不精确的条件下,参数误差对无差拍电流控制环路的影响。针对电机参数不精确的情况,提出一种结合了参数自适应算法的预测电流控制方法,通过在线进行电机参数辨识,实时修改预测电流控制器的参数,以达到参数修正的效果。最后,对该方法的控制效果进行对比仿真验证与效果评估。结果表明,采用该方法后电流控制过程中系统鲁棒性提升明显,效果较好。     

误差补偿的永磁同步电机电流环解耦控制

针对矢量控制永磁同步电机电流环在动态调节过程中的相互耦合问题,提出一种基于电流误差的多项式交叉耦合补偿方案.以一阶延迟的电流环为目标,在经典的d轴和q轴电流反馈控制结构的基础上,设计基于电流误差的交叉耦合补偿控制器,采用误差零点的Taylor展开式进行纯积分补偿结构的逼近,减小电压饱和效应,得到多项式结构的补偿控制器,...