1、刁工.手竽jingjiang college of jiangsu university本科畢業論無軸承開關磁阻電機基本研究和電磁力研究the basic and electromagnetic force research of bearinglessswitched reluctance motor學生學號：學生姓名：專業班級：j電氣工程及其自動化指導教師姓名：指導教師職稱：講師無軸承開關磁阻電機基本研究和電磁力研究摘要：隨著工業技術的發展，用電設備對拖動電機的要求不斷提高，磁懸浮技術的運用 使高速和超高速屯機現已廣泛應用于空間技術、密封泵、離心機和高速飛輪儲能等領域利 用磁懸浮軸承和開關

2、磁阻電機定子結構的相似性，將兩者集成化所構成的新型電機一無軸 承開關磁阻電機對于減少裝置體積重里，提高設備性能有重要意義本文在消化和吸收國外的研究成杲基礎上，論述了無軸承開關磁阻電機的工作原理， 并對電機的數學模型進行了詳細的推導和分析。在此基礎上，設計了無軸承開關磁阻電機 系統的主繞組功率變換器和懸浮繞組功率變換器、滯環屯路、驅動隔離屯路、ptd調節電 路、輔助電源和面板控制系統等，并完成了全部硬件部分的制作和調試，為后續的系統調 試打下了基礎。關鍵詞：無軸承開關磁阻電機 徑向力 控制系統 電流滯環控制the basic and electromagnetic force research

3、of bearingless switched reluctance motorabstract： with the development of industrial technology, high speed and super high speed drives have found wide application in space technology, canned pump and high speed flywheel storage system, etc. the bearingless switched reluctance motor, which combines

4、the switched reluctance motor and magnetic bearings, will possibly reduce the volume as well as improve the performance of the driving systems.the principle of radial force generation was described and the mathematic model of the bearingless switched reluctance motor was derived in this thesis. then

5、, converters used in the bearingless switched reluctance motor system were discussed. because the current in main winding was unidirectional, dual-switch converter was chosen as the main winding converter. in the case of the radial force windings, which demand bidirectional current, half-bridge conv

6、erter was chosen. both converters were designed and manufactured. moreover, assistant circuits (including the driving circuit, the safeguard circuit, the hysteresis current circuit, the p1d circuit, the assistant power supply) and the control panel system were designed, and the principles of operati

7、on of these circuits was introduced in detail. at last, all hardware circuits were debugged. the test waveforms were shown.keywords： bearingless switched reluctance motor radial force control systems hysteresis current control目錄摘要2abstract3目錄4第1章緒論61.1 無軸承電機的研究背景61.2本課題的研究意義和研究現狀71.3 本論文的主要內容7第2章無軸承

8、開關磁阻電機的基本原理82.1 開關磁阻電機92.2磁車血承原理102.3無軸承開關磁阻電機基本原理1()2.3.1無軸承開關磁阻電機系統的構成102.3.2無軸承開關磁阻電動機原理13第3章無軸承開關磁阻電機的電磁力數學模型153.1無軸承開關磁阻電機轉子角度的零度定義153.2關丁一體化模型的討論153.3 一體化模型的推導過程16第4章無軸承開關磁阻電機的基本結構234.1磁軸承支承的開關磁阻電機基本結構234.2無軸承開關磁阻電機可實現的基本結構分析24第5章無軸承開關磁阻電機系統的實踐285.1電機木體的研究285.1.1 開關磁阻電機的研究285.1.2無軸承開關磁阻電機的研究29

9、5.2控制系統的硬件部分30521 dsp 系統315.2.2 d/a轉換模塊315.2.3轉子徑向力檢測模塊325.2.4邏輯處理模塊325.2.5過壓過流保護模塊325.2.6轉子角度傳感器325.3控制系統的軟件部分325.3.1控制系統的軟件流程335.3.2測速問題討論36第6章總結和展望39致謝41參考文獻42第1章緒論木章首先講述了無軸承電機的研究背景，說明了木課題研究意義和國內外的研究現 狀，最后簡要介紹了本論文的主要研究內容。1.1無軸承電機的研究背景現代化工業生產對拖動屯機的性能要求越來越高，其中一個明顯特征是高速電機和超 高速電機日益廣泛地應用于高速機床、離心機、壓縮機、

10、飛輪儲能以及渦輪分子泵等工業 設備中，用機械軸承支撐時，由轉子高速運行帶來的摩擦阻力增加，使軸承磨損加劇，縮 短軸承和電機的使用壽命，也增加了對電機和軸承維護的負擔。為了克服機械軸承性能的不足，高速電機一般采用氣浮、液浮和磁浮軸承。其中氣浮 和液浮軸承均需要配備專門的氣壓、液壓系統，這不僅使電機的結構復雜、體積龐大、耗 能多、效率低，同吋氣壓、液壓系統的故障會使氣浮、液浮軸承失效，從而導致電機無法 正常運行，這同樣降低了電機和系統的可靠性。近二i 年來發展起來的磁軸承具有無摩擦、 無濟損、不需潤滑和密封、高速度、高精度、長壽命等一系列優良特性，因而從根本上改 變了傳統的支撐形式，在能源交通、機

11、械加工工業、航空航天及機器人等高科技領域得到 了廣泛的應用。但是磁軸承占有獨立的軸向空間，使得磁軸承電機的軸向利用率較低，而磁軸承結構 和交流電機定子結構具有一定的相似性，如果把磁軸承中的懸浮繞組疊繞在電機定子繞組 上，使兩種磁場合成一體，且能同時獨立控制電機轉子的懸浮和旋轉是最為理想的，無軸 承電機止是基于這一設想而提出的。無軸承電機的概念最初是由r.bosch于80年代末提出1 ,在瑞士的j.bichsel實現了同步電機的無軸承技術之后2,無軸承電機的研究引起了廣 泛的重視。口前瑞士、日木和美國等國家都大力支持開展這項研究工作。日木的a.chiba 等人對異步電機的無軸承技術、永磁同步電機

12、的無軸承技術、開關磁阻電機的無軸承技術 進行了研究3,5-7o瑞士的r.schob研究了異步電機的無軸承技術4和薄片狀無軸承電機。 目前瑞士聯邦工學院(eth)在這一研究領域中保持領先，已有一些成果轉化為商品。與磁 軸承電機相比，無軸承電機有以下優點：1) 懸浮繞組纏繞在電機定子上，不占用額外的軸向空間，電機的軸向長度可設計得較 短，臨界轉速相對較高，因此在高速和超高速、小體積、長壽命的傳動領域有應用優勢。2) 軸向長度得到了充分利用，在軸向長度保持一淀的條件下，其輸出功率可大幅度提 高。3) 由于無磨損、無潤滑等特點，可以用于超靜、超潔凈的場合下。在航空方面，航空 電機的傳速將有可能從根本上

13、擺脫機械軸承因素的制約，而結構簡單，維修更方便，合乎 未來全電飛機強生命力、低維修的發展耍求。4) 電能消耗相對較少，徑向力控制系統的功耗只占電機功耗的2%5%。1.2本課題的研究意義和研究現狀開關磁阻電機由丁傳子上無繞組，結構簡單、成本低、易于調速、維護方便等特點使 其非常適合于高速運行。開關磁阻電機的無軸頂技術不僅使其更高速方向發展有重耍意 義，而且冇望在減少開關磁阻電機目詢的振動噪聲和轉矩脈動問題提出一種新的冇效的解 決方案。無軸承電動機的思想己經提出有一段時間，目前美國、瑞士、日本和徳國等兒個國家 正在大力資助這個項目的研究。無軸承開關磁阻電機的概念是higuchi教授最早在1989年

14、 提出的8,后來日本的一部分學者進行了深入研究，從已發表的文獻來看，只有口本成功 地實現了無軸承開關磁阻屯動機的穩定懸浮。打前國內南京航空航天大學和江蘇理工大學 均在開展這方面的研究工作。但是到口前為止，國內還沒有看到成功實現無軸承開關磁阻 電動機穩定懸浮的報道和相關文獻。1.3本文主要內容本文主要內容如下：(1) 第一章為緒論部分，介紹了無軸承電機的研究背景，簡單說明了木課題的研究意義 和國內外研究現狀。(2) 第二章在開關磁阻電機和磁軸承技術基礎上，介紹了無軸承開關磁阻電動機的組成 和基本原理。(3) 第三章詳細論述了無軸承開關磁阻電動機一體化的數學模型。從等效磁路推導出電 感公式，在此基

15、礎上，經過進一步分析得到了徑向力和轉矩的數學公式，并對此進行了相 關分析。(4) 第四章詳細介紹了無軸承開關磁阻電機的可實現結構。(5) 第五章詳細介紹了無軸承開關磁阻電動機對功率變換器的耍求及其設計方法。硬件 實現。包括驅動隔離電路、滯環電路、保護電路、輔助屯源和控制面板等部分的功能及硬 件的組成和工作原理。(6) 第六章是對所做工作的總結以及今后研究的展望。第2章無軸承開關磁阻電機基本原理無軸承開關磁阻電機是在開關磁阻電機和磁軸承基礎上發展起來的，是利用主繞組和 懸浮繞組形成的磁場相互作用產生的徑向力實現轉子軸懸浮的。下面在開關磁阻電機和磁 軸承基礎上，來說明無軸承開關磁阻電機的基本原理。

16、2.1開關磁阻電機70年代末80年代初，英國leeds大學和nottingham大學深入研究了開關磁阻電動機 的基本原理、計算方法和運行特性，為開關磁阻電動機的迅速發展奠定了基礎。開關磁阻調速電動機(簡稱srm)是由雙凸極磁阻電機、功率變換電路、位置檢測器和 控制調節單元等部分組成，基本框圖如圖21:圖21開關磁阻調速電動機基本框圖在開關磁阻電動機中，根據位置檢測信號0,按一定邏輯控制功率變換器，使電動機 定子各繞組順序通電，其所建立的磁場吸引轉子旋轉，將電能轉換為機械能。開關磁阻屯 動機得到迅速應用，也得益于其以下特點：(1) 護方便，結構簡單，定子采用凸極結構，繞組為集中繞組，轉子上無繞組

17、。制造維 高速適應性好。(2) 損耗較小，效率較高。轉了不存在勵磁和轉差損耗。由于其可控參數較多容易實現 高效優化。調速性能好，其用于運行控制的可調節變量多。當然開關磁阻電動機也存在振動和噪聲問題，隨著進一步地深入研究，其性能會得到 逐步改善。2.2磁軸承原理磁軸承是利用磁場力使傳子和定子之間沒有任何機械接觸的一種新型軸承。磁軸承按 照磁場產生性質的不同，有主動磁軸承(active)和被動磁軸樂(passive)z分。主動磁軸承 的磁場是主動可控的，被動磁軸承的磁場是不可控的。磁軸承的磁力口j出電磁鐵提供，稱 電磁軸承;也可由永久磁鐵和電磁鐵共同提供，稱為混合磁軸承;或由永久磁鐵單獨提供。 前

18、兩者稱為主動磁軸承，而后者稱為被動磁軸承。由于主動磁軸承性能明顯地優于被動磁 軸承，在磁懸浮領域，應用最廣泛的是主動磁軸承。圖2-2磁軸承工作原理圖圖22所示是一個簡單磁軸承的工作原理示意圖。一個完整的磁軸承系統包括轉子、 傳感器、控制器、功率放大器、電磁鐵等部分組成。位移傳感器檢測出轉子偏離參考點的 位移，控制器將檢測到的位移變換成控制信號，然后功率放大器將這一控制信號轉換成控 制電流，控制電流在電磁鐵中產生磁力從i佃使轉子維持其懸浮位置不變。由傳感器、控制 器和功率放大器的共同作用實現了磁軸承的懸浮控制，因此這幾部分稱為磁軸承的控制系 統。磁軸承懸浮系統的剛度、阻尼以及穩定性出控制規律決定

19、。剛度和阻尼可根據轉子工 作技術要求進行調節，也可在運行中加以改變。2.3無軸承開關磁阻電機基本原理2.3.1無軸承開關磁阻電機系統的組成因為磁軸承中繞組結構和開關磁阻電動機中定子繞組結構均是凸極形式，如果將懸浮 繞組疊繞在電機的定子繞組上，利用電力電子技術和自動控制技術使英具備開關磁阻電機 和磁軸承的功能于一體，最為理想，無軸承開關磁阻電機便由此而來。無軸承開關磁阻屯機系統組成框圖如圖2-3所示。框圖屮的磁阻電動機仍采用凸極結構，但繞組分為兩類，一是主繞組用于產生旋轉轉 矩，二是懸浮繞組，其形成的磁場與主繞組形成的磁場相互疊加產生作用于電機轉子軸上 的徑向力，使電機傳子軸實現懸浮。圖23無軸

20、承開關磁阻電動機系統框圖圖2-4無軸承開關磁阻電動機a相繞組結構圖圖2-4展示了無軸承開關磁阻電機的橫向切面圖。定子和轉子是由硅鋼片迭壓而成凸 極形式。定子采用集中繞組，每個凸極上冇兩套繞組，分別隸屬于主繞組和懸浮繞組。轉 子上無繞組，凸極結構。木課題所采用的磁阻電動機結構為定子有12個凸極，轉子有8 個凸極。圖2-4顯示了無軸承開關磁阻電動機a相繞組的結構。主繞組和懸浮繞組均采用集屮 繞組結構。如圖所示電機四個正對凸極上的主繞組串聯而成一相主繞組，其屮的電流為爲， 串聯順序如圖所示。懸浮繞組分為a（n遜）繞組和0（n®）繞組。&繞組是ftlq方向兩個正 對凸極上的懸浮繞組吊

21、聯而成。0繞組是由0方向兩個止對凸極上的懸浮繞組串聯而成。 它們的串聯順序及與主繞組的關系如圖24所示。q繞組和0繞組的電流分別為爲和心。 b相、c相繞組和a相繞組結構相同，放在定子對應位置。q和0是以a相繞組為基準定 義的坐標系屮的兩個垂直坐標軸。同樣的可以b相和c相為基礎，定義少軸和a軸，勺軸 和02軸。無軸承開關磁阻屯機系統中的功率變換器包括兩部分，一是用于給主繞組供電的主繞 組變換器，其結構為普通開關磁阻電機的功率變換器，主電路為雙開關型，總共有六個開 關管。變換器根據主繞組電流控制器的信號來控制各相主繞組開關管的開通或關斷，使電 機旋轉，輸出轉矩。二是用于給懸浮繞組供電的懸浮繞組變換

22、器，又包括兩部分一&方向 懸浮繞組變換器和0方向懸浮繞組變換器，其電路結構為三相半橋式逆變器。它們分別根 據各口的電流控制器給出的信號來控制每相電流的大小和方向，從而使形成的控制磁場與 主繞組形成的磁場相互作用，產生可控徑向力，實現傳子軸的懸浮。由于無軸承開關磁阻電機在定了上疊繞了懸浮繞組，因此其控制系統比普通開關磁阻 電機要復雜。無軸承開關磁阻電機將主繞組和懸浮繞組實現解禍控制，徑向力和轉矩就口j 控。如圖23所示，無軸承開關磁阻電機系統工作過程為首先通過光電傳感器，測得轉子 位置信號，然后由dsp計算出轉速。實際轉速和給定轉速信號之差經過pi調節可以得到 轉矩。再由位移傳感器得知轉

23、子軸的偏移量，這個偏移量經過pid調節得出所需的懸浮力。 知道了所需轉矩和懸浮力值，就可計算出主繞組的開通角和電流的大小。由懸浮所需力的 大小和方向，以及主繞組開通角和電流的大小，再加上轉子位置角，可以得出懸浮繞組屯 流的大小和方向，然后由懸浮繞組電流控制器去控制懸浮繞組的電流。2.3.2無軸承開關磁阻電動機原理旋轉電機中存在著兩種不同類型的電磁力：洛侖茲力和麥克斯韋力。無軸承開關磁阻 電機懸浮主要是依靠麥克斯韋力。麥克斯韋力是磁路屮不同磁導率介質（鐵心和空氣）邊界 上形成的磁張力（稱為磁阻力），也稱麥克斯韋力。圖25展示了無軸承開關磁阻電機徑向 力產生的原理。為了說明方便，此處以a相為例，作

24、如下規定:對稱4個齒極上的一相主 繞組產生的磁通稱為4極主繞組磁通，是主繞組電流編產生的，粗實線顯示了4極磁場中 瞬時磁通在某一時刻的方向；對稱2個齒極上的一相懸浮繞組產生的磁通稱為2極懸浮繞 組磁通，是懸浮繞組的電流爲仇2）產生的。虛線顯示了徑向位置控制時2極磁場中憐時 磁通在某一時刻的方向。為了說明無軸承開關磁阻電動機的工作原理，下面介紹帶冇負反饋環的轉子徑向位置 控制。此時主繞組通入電流為爲，如果轉子朝以定子為中心的6z軸的負方向移動，則氣隙 的磁通分布會變的不均勻。這將產生沿。軸負方向的徑向力。為了平衡這個徑向力，給懸 浮繞組。通入正向電流篇，它將產生如一圖15所示方向的2極懸浮繞組磁

25、通。此時氣隙 1的磁通密度將增加，這是因為2極懸浮繞組磁通（&懸浮繞組產生的磁通）的方向和4極 主繞組磁通（主繞組產生的磁通）的方向是一致的。與此相反，氣隙2的磁通密度減小，因 為此時2極懸浮繞組磁通的方向和4極主繞組磁通的方向相反。這樣迭加磁場就會在a方 向上產生一個作用于轉子的徑向電磁場力。另一方面，只耍在懸浮繞組a中通入一個負的電流爲就會產生一個a軸上的反方向的 徑向力。此外，在另外一個懸浮繞組0中通入電流:注就可以在0方向上產生一個徑向力。 因此，調節這兩個方向上力的大小和方向，就可以在任何方向上產生徑向力，并冃可以調 節其大小。空氣隙2空氣隙1/通量4極電機主繞組通量2極電機

26、主繞組圖25徑向力生成原理圖上面的介紹是以a相為基礎，此原理同樣可應用于b相和c相。為了穩定控制b相和c相的徑向力，需要在控制過程中做相應的坐標轉換。第3章電磁力數學模型木章推導了無軸承開關磁阻電機徑向力的表達式。主要口的是指出口前的數學模型雖 然在實踐中己經得到驗證，仍然存在一定局限，可以作為將來深入研究的一個方向。3.1無軸承開關磁阻電機轉子角度的零度定義開始推導以前，首先需要說明，無軸承開關磁阻電機轉子角度的零度定義在定、轉子 齒軸線重合處，此吋電感為最大值，如圖3-1 o下文屮出現的角度都是以無軸承開關磁阻 電機轉子角度的零度為基準的。圖中也標出了超前角0”，定義為主繞組電流軸線超前零

27、度位置的角度。由于木文只討論電 動運行，故耳非負。圖31無軸承開關磁阻電機轉子角度的零度和超前角的定義3.2關于一體化模型的討論首先要討論的一個問題是:無軸承開關磁阻電機能否像無軸承異步電機、無軸承同步 電機-樣，把徑向力繞組和主繞組的控制分開，主繞組控制力矩，徑向力繞組控制徑向力? 文獻6討論了只能在帶載條件下實現懸浮的無軸承開關磁阻電機系統的控制策略。整個系 統曲兩個獨立的部分構成:主繞組進行開關磁阻電機的速度控制，徑向力繞組進行轉子徑 向位置控制。其思想是固定電流的開通、關斷角，只在繞組電感的正轉矩區維持電流導通。 空載時，由于所需的轉矩為零，因此主繞組電流也為零。由徑向力產生的原理可知

28、，失去 了偏置磁通，徑向力也就無法產生了。且由徑向力繞組產生的轉矩未予以考慮，模型本身 不夠精確。文獻9在此基礎上提出了開通、關斷角可變的控制策略，空載情況下，通過調節開通、 關斷角，讓電流在繞組電感的正、負轉矩區各導通一段吋間，維持平均轉矩為零，瞬時轉 矩不為零，因此空載時主繞組仍能起到偏置作用。所以，必須建立徑向力繞組和主繞組一 體化的模型，以實現從空載到滿載每一點的穩定懸浮運行。3.3 一體化模型的推導過程推導的思路是:首先通過有限元輔助分割磁場法得到磁導的解析式，然后用等效磁路 法得到以磁導表示的a相電感矩陣，將磁導的解析式代入電感矩陣，最后通過虛位移法求 得徑向力的解析式。這里先利用

29、這一結論，只對a相加以討論，并以下標a來表示某個變 量屈于a相。首先假設：1）不考慮磁路飽和；2）轉子的位置偏移與氣隙k度相比很小；3）不考慮漏磁通；4）忽略交鏈轉了扼部的磁通；5）只在定、轉子齒對齊的位置忽略邊緣磁通，因為此時氣隙很短。簡要說明一下假設條件。轉子的徑向位置偏移與氣隙長度相比很小是推導過程屮忽略 位置偏移高次項的必要條件;在假設條件4和5滿足的條件下，可以把磁場的分布劃分成 三個區域，其磁導分別用斥、£、鬥-來表示。可以認為磁通路徑為橢圓形，k是一個系數，依賴于轉子位置©及氣隙長度o k=時磁通 路徑為i員i形。/為轉了齒員i周表面上的一點，得到磁路的平均長

30、度為可把式（31）寫成(3-2)由文獻所作的有限元分析可知，丄和丄有近似線性關系, jit 71=c + j j 4其屮c=1.49把式(3-3)代入式(3-2)得(3-3)71(3-4)d鬥的橫截面面積可寫為ds =h(dr + kdj2(3-5)式中力為轉子軸向長度。此微元的磁導為鷗=處嚴(3-6)式中他為空氣磁導率。把等式(32)(35)代入式(3-6),在等式兩邊都乘以可得刃日廠泌x力71 4c丄+龍(3-7)把式(37)寫成71 act + 7lldt(3-8)定、轉子極間的氣隙磁導片可以寫成(3-9)由式(38)可以這樣得到乙(3-10)把式(38)代入式(3j0)得到同理可得人(

31、3-11)(3-12)(3-13)轉子位于©時，一個極下定、轉子間氣隙磁導為pa =ll.hr/ -0a廠u<12 “丿-十g7tin4cr0a + 禮、 弘>(3-14)表達式的第一項代表定、轉了齒面相對處的磁導，占的比例比較大，第二項代表的則是定、 轉了邊緣磁通的磁導。式（2僅在0<z<iy有效。下面把轉了偏心的情況考慮進去，則氣隙的長度分別為人±&，人±0，代入（3-14）,得“()/"(兀-120 )仏 + q) + 屯也 lnf 4g 仏 + &) + 兀x、7112/()2p 二 “o防(龍_120)(

32、厶_0) 4“4c吆 仏0)5(p 二他防（兀_12£）仏_4）| 4“（*比 心一12/02兀4g 仏_q）+刃。2 加/, _“（）防（兀-120）（4）+0） 4心（4c吆仏+ 0） +況）八為= 莎< j(3-15)(3-16)(3-17)(3-18)n,”表示主繞組的匝數，皿表示徑向力繞組的匝數，下標ma代表a相主繞組，sal代表a相。軸徑向力繞組，sa2代表a相0軸徑向力繞組。a相繞組的連接如圖25所示，從圖 小氣隙1開始，逆時針方向依次把四個極下的氣隙磁導編號為你巳4,可以將其畫成a相 等效磁路圖33。(3-19)(3-20)(3-21)(3-22)(3-23)(

33、3-24)(3-25)(3-26)圖3-3 a相等效磁路由圖3-3可以得到式（3-19h3-21）+ n i = + n i + n ipmabl salpmaiy blsa巧2匚1a， 才+ w mb嚴獷+嘰+ nhisax 匚 3<?1彳o 1礦-n九-必心二寸+ nmima + n爲所有磁通總和為零，即如+%+%+%"從式（3（322）解出川“4腫書2號化2 + u ）爲+ m （巳2 + 2匕+坨幾-m （巧2 -碼j心；p rn叭2二步2九（匕+ <3 ）鳥+ m阿-弘）爲一必（匕+ pi3 + 2即九2 % =書2n,”（打2 + pak- nb（2匕+巧2

34、+即九廠nb （巧2 -號4）心 叭4二字2號（你+馬3）鳥+必（巧廠匕）打+ m化+ 2弘+匕）打其中p為匕為之和。再由圖33,可以得到分別與主繞組、徑向力繞組電流交鏈的磁鏈w啦=（川+“2 耗+.4 ）masal將式(3-23)43-26) 別代入式(3-27)0-29)可得屮=4"”2(匕+鬥3)(匚2+巧4),| 2驗皿(匕-鬥j(打2+為)ma pbmaplsal2心m(匕+/)(%-鬥丄psa-二 n/ 匕(巧2 + 2巧3 + 巧4 ) + / (2你 + 馬2 + 巧4 ) j屮 _sq 1psa 1.2n”凡化廠乙）（巧2 +乙）；”/（鬥廠巧3）（弘-即）：+lm

35、aha 2mn/馬2（匕+弘+ 2即）+ 0匕+2弘+匕）.屮"=1sa2psa2_2忖"皿)(*3川37)億一叫p因此電感的表達式為mama4n(匕 + 打2)(打 3 + cjsin： 匕(<2 + 2你 + 即)+ p心(2匕 + <2 + 為)pt _ n化2 (你 + p心 + 2乙)+ pa4 (匕 + 2鬥2 + 乙) 乙皿22nn（匕-巧2）（巳3 +心）_ 2心皿（匕+弘）（2-即）（口,皿2）m _ n/(匕-匕3)(弘-即)lvl(sa.sai) _(3-27)(3-28)(3-29)(3-30)(3-31)(3-32)(3-33)(3-3

36、4)(3-35)(3-36)(3-37)(3-38)將式(3 (318)代入式(333)(3-38)可得lma = 2njfsa 1m嚴+穿m(lna,sa2)=nlnnb電感矩陣可以寫成磁場儲能可以寫成l6/n71“。防(兀_120j | 8“訥比6zn71'“°防(龍_120)| 8“。/?山|714c 也（/（）+ +況）2 丫防（兀_12£）# | 8他力口（%吃仏+ 0） +加j、m 門maysa2)71m（叫訕厶al(ml,m2)sa徑向力可以由磁場儲能對位移求偏導得到f=ll = nn卩d/34g/（）+ 加（jm( 九(nui,sa2)(sa,sa2

37、)厶“2ma心厶li“()/"(”_ 120) |6/0271"o防(龍 _120)|67j)sa 232&hc©.(4g仏+a) +加.j廣32/jhcroa.(4g仏+0) +磯j嚴ma sal(3-39)(3-40)(3-41)(3-42)(3-43)(3-44)(3-45)(3-46)(3-47)(3-48)定義k/二厶二丄，可以看出徑向力與主繞組電流和徑向力繞組電流的積成正比，比 'lli ilm（rsa lm（rsa2例系數為k/。因此主繞組電流一定時，可以通過控制徑向力繞組電流來控制徑向力。第4章磁懸浮開關磁阻電機的基本結構4.1磁軸

38、承支承的開關磁阻電機基本結構電機是由定子和轉子組成，定子和轉子之間通過機械軸承支承必存在機械接觸，因此 轉子運動過程屮存在機械摩擦。機械摩擦不僅增加了轉子的摩擦阻力，使運動部件磨損產 生機械振動和噪咅，而且會造成部件發熱，使潤滑劑性能變差，嚴重時會造成電機氣隙不 均勻，繞組發熱，溫升增大，導致電機的動態特性變差，從而降低電機的效率，最終縮短 電機及裝備的使用壽命。所以，機械軸承磨損成為高速、超高速電機的一個突出問題。高速電機一般采用氣浮、液浮或磁懸浮軸承，其中氣浮和液浮軸承均需要專門相配的 氣壓、液壓系統，使屯機的結構復雜，能耗大，效率低。磁軸承具有無需潤滑、無磨損、 無機械噪蘆和結構簡單等特

39、點，在高速電機領域獲得了應用。為了適應高速、超高速電機 應用的需要，近20年來發展起來的磁軸承技術，是利用磁場力將轉子懸浮于空間，實現 轉子和定子z間沒有任何機械接觸的一種新型高性能軸承，由于磁軸承具有無摩擦、無損 耗、不需要潤滑和密封、高速度、高精度、壽命長等優良品質從根本上改變了傳統的支承 形式，在能源交通、航空航天等領域具有較為廣泛的應用前景。一個簡單的磁懸浮軸承的 結構如圖21所示（只考慮徑向的懸浮）。傳感器檢測到轉了的偏心，控制器根據設定的控 制算法計算岀需要的控制電流，通過功率變換器，調整繞組電流，從而調整電磁力的大小,實現轉子位置的調整。鐵芯和繞組iiiiii 刪【iiiwnmi

40、iwwyninnnni miiiiiiiii nnnniglii q【ii腓®nimiii恥 a軸向推力磁軸承、徑向磁軸承電機i紹ii 2感軸朋支承的電機結構圖42是利用磁懸浮軸承支承的開關磁阻電機結構示意圖。從該圖可以看出，要實現 轉子的完全懸浮，共需要在5個自由度上施加控制力，即需要2個徑向磁軸承產生徑向的 懸浮力在徑向支承轉子，一個軸向磁軸承對軸向進行準確定位。一個完整的磁軸承系統由 轉子、傳感器、控制器、功率放大器和電磁鐵組成。由磁軸承支承的sr電機雖然具有很 高的轉速及無潤滑、無摩擦、無機械噪聲等突出優點，但在不同的領域依然存在如下問題:1.電機的輸出功率難以進一步提高，為

41、了提高電機的輸出功率，電機的軸向長度和 徑向尺寸必須要隨z加大。由于磁軸承在軸向和徑向都占冇很大一部分體積，又為了在高 速時能避開轉了的臨界轉速，只能盡量控制電機木身的軸向長度，這樣就導致提高電機的 功率比較困難；而電機的轉軸徑向尺寸受到電磁體材料機械強度的限制，難以得到進一 步提高。2磁軸承需要一定數量的勵磁線圈、高品質的控制器、高性能的功率放大器和多個 價格不菲的位移傳感器等，導致磁軸承結構復雜、體積較大和成本較高，影響磁懸浮開關 磁阻電機的使用范圍。4.2磁懸浮開關磁阻電機可實現的基本結構分析為了克服41中磁軸承支承的sr電機的缺陷，人們開始了對磁懸浮開關磁阻電機進 行研究。所謂磁懸浮開

42、關磁阻電機，并不是說不需要軸承，而是不需耍設計專門的軸承來 支承轉了，利用磁軸承機構與普通sr電機定了結構的相似性，把磁軸承產生徑向力的繞 組（懸浮力繞組）疊壓到開關磁阻電機的定子繞組上，使懸浮力繞組產生的磁場和屯機定 子繞組產生的磁場合成一個整體，通過研究探索驅動電機轉動的旋轉力和產生徑向懸浮力 的耦合情況以及解耦方法，實現獨立控制電機的旋轉和轉子的穩定懸浮。為了產生可控的徑向力，磁懸浮開關磁阻電機定子上的轉矩繞組和懸浮力繞組必須具 備確定的極數關系。如果轉矩繞組的極數為2p極，則懸浮力繞組的極數應該是2p+2或2p-2 極。為了形象的說明這種對應關系，我們可以將一臺磁懸浮開關磁阻電機等效為

43、共用一個 轉子的兩臺電機，其屮一臺由轉短繞組和轉子組成，被稱為轉矩電機；而另一臺由懸浮力 繞組與轉子組成，稱為懸浮力控制電機。圖43為將一臺磁懸浮開關磁阻電機等效為兩臺 電機的示意圖。圖43磁懸浮開關磁阻電機等效為兩臺電機示意圖磁懸浮開關磁阻電機除保持磁軸承支承的電機系統壽命長、無須潤滑、無機械摩擦和磨損等優點外，還冇槊突破更高轉速和大功率的限制，拓寬了高速電機的使用范圍。本節 將結合開關磁阻電動機自身的特點，提出幾種磁懸浮開關磁阻電機的基木結構。軸向推力磁軸承電機+徑向磁軸承圖44磁懸浮開關磁阻電機的結構圖（a）圖牛4所示結構的磁懸浮開關電機系統采用兩個繞組獨立的開關磁阻電機及具控制 器。該

44、結構的推力軸承放置在電機的中部位置，在轉子軸的兩端采用了獨立的兩個自出度 磁懸浮開關磁阻電機結構。這樣可以進行獨立控制兩端電機的繞組電流而實現徑向力大小 的調節，抗干擾性較好。特別是在冇外加負載的時候，容易實現轉子軸的穩定懸浮，閉環 性能較好，目而被普遍采用。缺點是需要兩套完全相同的控制器，逆變器及其傳感器等， 代價較高。電機+徑向磁軸承軸向推力磁軸承圖45磁懸浮開關磁阻電機的結構圖（b）圖45這種結構看似與圖44的結構相似，但產生旋轉轉矩的兩套繞組并不獨立，而 是一體的；只有產生徑向懸浮力的繞組是相互獨立的，才叮以單獨控制。這樣一方面帶來 的好處是可以縮短軸向長度，提高臨界轉速，減少逆變器及

45、其傳感器的個數，降低成本； 另一方面也使得懸浮力和旋轉力之間的解耦變得更加復雜，同時由于它的軸向推力磁軸承放在一端，因此抗干擾性較差。電機+徑向卜軸承ijn軸向推力磁軸承圖46磁懸浮開關磁阻電機的結構圖（c）圖46所示磁懸浮開關磁阻電機系統只冇一套磁懸浮開關磁阻電機結構，在轉子的一 端采用磁懸浮推力軸承來實現轉子軸的軸向穩定。這種結構只有一套旋轉力繞組和徑向懸 浮力繞組，其優點是整體結構比較簡單，軸向長度較短，可以做到很高的臨界轉速；但另 一方而由于只有一套徑向懸浮力繞組使得傳軸徑向方向很難控制，特別是在冇外加負載的 時候不易穩定。電機+徑向磁軸承圖47磁懸浮開關磁阻屯機的結構圖（d）推力軸承

46、推力軸承/ia轉子v永磁鐵圖永磁鐵軸向推力磁軸承圖47這種結構的磁懸浮電機的軸向懸浮固定rfl對永磁鐵軸向推力磁軸承構成，永 磁推力磁軸承由定了推力盤和轉了推力盤組成。二者均為非鐵磁性岡盤，在推力盤上鑲嵌 有環形錢鐵硼高磁場永磁鐵，永磁鐵鈞沿軸向磁化。其結構如圖42所示，該種磁軸承轉 子和定子均是由永磁鐵構成，屬于3型軸承，及無超導體的鐵磁性永久磁鐵軸承，這種軸 承無法在所有自由度上都能保持懸浮物體位置的穩定，但是可以在一個方向上支撐物體， 此種結構一般用作軸向推力磁軸承，其工作原理見第四章。此種結構可以有效地實現轉軸 軸向位置的穩定懸浮，缺點是轉了過長，影響臨界轉速的捉高。第5章無軸承開關磁

47、阻電機系統的實踐木章具體討論控制系統的實現方案，包括硬件部分和軟件部分。硬件部分介紹了電機 本體的設計及控制系統的碩件組成。軟件部分闡述了軟件流程，討論了程序編制中兒個需 要給予特別關注的問題，就久和沐 優化值表格的求取作了補充。最后，展望了可編程邏 輯器件在數字控制系統中的應用前景。5.1電機本體的設計5.1.1開關磁阻電機的設計開關磁阻電機的設計步驟如下10：第一步，確定極數、相數和極弧。開關磁阻電機的平均電磁轉矩取決于一個工作周期內，對齊位置和不對齊位置磁化曲線之間的鴨軌跡所包含的磁場儲能面積。如果能減小每相繞組的最小電感，就可以提高電機的輸出轉矩。對步進電機的研究表明，從提高電機輸擊轉

48、矩的角度看，應盡量減小各 相繞組間的互感。此外，電機在任何轉子位置下都具有正、反方向的自起動能力，這就要 求相數滿足：(5-1)lcm(ns,nj = qxnlcm(n、nj>ns>nr其lcm表示最小公倍數，m為定子極數，m為轉子極數，g為相數。要求mm,是從最小化各相繞組開關頻率的角度出發的。極弧則要滿足:/3s + /3r 52jinr(5-2)其中風為定了極弧，0,為轉了極弧。第二步，考慮轉矩波動、電磁負荷，確定主要尺寸。對矩角靜特性的研究表明，轉了直徑以及軸向長度增大都有利于提高電機的輸出轉 矩，但也導致轉矩波動系數增大。氣隙總體上對轉矩波動影響不大。定子鐵心外徑的增大

49、不僅有利于輸出轉矩的提高，而且可降低電流峰值，較大程度減小轉矩波動。在考慮電磁 負荷的時候，由于電機的雙凸極結構，應從等效的意義上去看待其電磁負荷。對于中小型 開關磁阻電機，電負荷a的取值范圍為a = 15000-50000/1/m磁負荷bs的取值范圍為：0.29-0.557(8/6)b8 = (5-3)10.36 0.627x6/4)5.1.2無軸承開關磁阻電機本體的設計表51文獻樣機與實驗樣機參數主繞組匝數nm (。3根并繞)14匝22匝徑向力繞組匝數m (0.8加加0, 2根并繞1.01mm2)11匝18匝定、轉子極弧變15度軸向長度力50 mm95 mm定子鐵心外徑100 mm145

50、mm定了扼部直徑130 mm定子鐵心內徑50 mm77 mm轉子極半徑廠24.78 mm38.25 mm轉子扼部宜徑46 mm轉軸直徑30 mm平均氣隙長度a)0.22 tnm0.25 mm文獻11己經給岀了所有重要的電機參數，如表51第二列所示，考慮到文獻并未給出 完整的參數，月現冇的是型號為ys90l2電機的機殼(英定子沖片外徑達145 mm),與文獻所 給出的定了鐵心外徑相茅較大，故在文獻基礎上，對電機重新進行了設計。極數、相數和 極弧保持不變，補全了文獻未提供的幾個參數，同時對其他參數根據機殼尺寸作了相應調 整。首先，根據現有機殼確定電機軸向長度和定子鐵心外徑。其次，確定定子鐵心內徑、

51、轉軸直徑和平均氣隙長度。鑒于異步電機己形成成熟的產 品體系，參數都經過了優化設計，我們在設計無軸承開關磁阻電機時，充分借鑒了其幾何 參數12,13。定、轉子軌部直徑的選取依據是定、轉子軌部厚度人約分別為定、轉子齒寬的一半。繞組所用的導線線規和并繞數與文獻相同，考慮到實驗樣機機殼比文獻樣機大，匝數 選得略大。定了極間窗i面積為436.78伽2,每槽導體凈截面積為102.54/mn2.不考慮導線 絕緣層、槽楔、繞組間絕緣時，槽滿率為0.23。下面來校驗電磁負荷，所用公式出自文獻11。需要說明的是，由于開關磁阻電機磁 路復雜，工作狀態與控制方式有很大的關系，口無軸承開關磁阻電機乂有其本身的特點， 這

52、里的校驗只是等效意義上的，沒冇作十分精確的計算。首先計算電負荷a =血(5-4)7lda其屮nm是每相串聯匝數，這里采取了一些等效，每相串聯匝數認為是主繞組匝數與 徑向力繞組匝數之和，/為電流有效值，取8.66 a ,幾是轉子外徑。可得電負荷為4296 a/m ,是比較低的。磁負荷的表達式為>=0.805 (5-5)tr其中傷“為定子磁極的極身寬度，廠為轉子極距，易$為定子磁極平均磁通密度，取傷$ 為1.623t時,可得肌為0.4355t。又由(5-6)門3.04nwbs =tlnphdui 5其中久為導通寬度，根據導通規律，為15度，即0,262rad o t/為90v。刃為轉速，定為

53、4500rmp .這里考慮的是當一個極上的磁通方向相同的情況，可以認為每相串聯匝數是主繞組匝數與徑向力繞組匝數z和。若二者方向相反，貝i這個極上的磁通小于方向相同時 的計算值,可得bs = 0.435it ,與預取的值一致。5.2控制系統的硬件部分本文所采用的以tms320lf2407a為核心的控制系統硬件部分如圖52所示。lf2407a的主頻為40m,盡管速度不算太高，為了保證數字控制系統可靠、正確地工作， 在pcb布線時仍然要特別注意“地”的問題，除了眾所周知的數字地與模擬地分開，只在 一點連接外，還要注意dsp芯片冇很多個地線引腳，這樣的管腳設計保證了每個信號離地 更近，減小了信號線間的

54、互感，若把這些引腳直接相連就起不到這個作用了。高速數字電 路設計方面詳細的討論可參考文獻14。圖52控制系統的硬件組成5.2.1 dsp 系統tms320lf2407a片內有32k字的flash程序存儲器，1.5k字的數據/程序ram,544字 的daram,2k字的saram。可擴展的外部存儲器總共192k字，其中程序存儲器、數據存 儲器、i/o尋址空間各64k字。調試程序時可將程序載入ram,這比將程序固化在flash存儲器中更方便快捷，而且 調試程序時可以方便地設置斷點。值得一捉的是，反復燒寫flash會造成flash個別單元 的損壞，這會降低控制系統的可靠性。可以待調試工作完成后再將程序燒入flash。這一部分也包括了 a/d轉換接口和捕獲單元,a/d轉換接口用來將徑向力給定信號轉化 為數字量：捕獲單元用來檢測轉子