无轴承电机通用磁悬浮模型及解耦控制系统研究

无轴承电机突破了传统机械轴承支撑电机的运行理论范畴,是集旋转驱动和转子自悬浮功能为一体的新型磁悬浮电机。各种无轴承电机都有相同或相似的磁悬浮特性和规律,磁悬浮控制模型是实现无轴承电机可靠悬浮运转的基础。本文围绕无轴承电机的磁悬浮力产生机理,对具有圆筒式定子结构的二极悬浮控制四极无轴承电机的通用电感矩阵及电感系数解析模型、可控制磁悬浮力通用模型及磁悬浮解耦控制系统等进行了深入的理论分析和试验研究。 以二极悬浮控制四极无轴承异步电机为例,考虑到转子偏心对气隙磁场分布的影响,解析了无轴承电机麦克斯韦磁悬浮控制机理。还对作用于感应型转子上的切向洛伦兹力衍生出的径向电磁力进行了解析研究,得出了洛伦兹力衍生出平均径向电磁力的基本条件。 以凸极弧宽为“2ρ”弧度的凸极型转子结构无轴承电机为二极浮控四极无轴承电机的一般化结构模型,研究了转子偏心对无轴承电机内气隙磁场分布的影响。然后,基于无轴承电机气隙磁场分布规律,推导出了磁路不饱和情况下,二极悬浮控制四极无轴承电机的各个电感系数和电感矩阵的通用解析模型。该通用电感解析模型既适用于凸极型转子结构无轴承电机,又可适用于圆柱型转子结构无轴承电机,并针对具有圆柱型转子结构的无轴承异步电机进行了模型的实验验证。 根据无轴承电机的通用电感模型,基于电磁场虚位移原理,推导出了无轴承电机的可控磁悬浮力通用模型。包括无轴承电机的旋转可控磁悬浮力通用模型和静止坐标系下的可控磁悬浮力通用模型等。并针对无轴承异步电机样机,进行了直流磁悬浮静力实验,验证了可控磁悬浮力模型的有效性。文中还认真分析了旋转可控磁悬浮力控制电流的频率特点,即:要产生同步速旋转可控磁悬浮力,需要在二极悬浮控制绕组中通入角频率为“0.5ω”的“半频”控制电流;要产生异步速旋转可控磁悬浮力,需要在二极悬浮控制绕组中通入角频率为“0.5(1+s)ω”的“近似半频”控制电流。 基于三相无轴承异步电机可控磁悬浮力模型,设计了三相无轴承异步电机磁悬浮解耦控制系统。在对系统进行仿真试验分析之后,基于单TMS320LF2407A数字信号处理芯片设计了无轴承异步电机的硬软件控制系统实验平台,并实现了无轴承电机的稳定悬浮控制。仿真和实验结果表明,无轴承异步电机可控磁悬浮力模型具有良好的解耦性能,也从一个应用侧面验证了所推导出的通用可控磁悬浮力模型的有效性及合理性。 最后,基于无轴承电机旋转可控磁悬浮力模型,研究了无轴承电机的周期性旋转惯性离心振动抑制技术和策略。试验结果验证了旋转可控磁悬浮力模型的有效性,并且验证了旋转磁悬浮力控制电流的半频特性。