交替极永磁无轴承电机的直接悬浮力控制

通过借鉴永磁同步电机直接转矩控制(PMSM-DTC)的思想,将直接转矩控制的理论和方法应用到永磁型无轴承电机磁悬浮力的控制上去,提出了一种新颖的基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法的直接悬浮力控制算法,并在一台交替极无轴承永磁电机上进行了实验验证,结果表明该控制思想的正确性和有效性。     

新型交替极无轴承永磁电机的原理与实现

传统永磁型无轴承电机悬浮力和转矩控制存在耦合，该文对一种新型交替极转子结构的无轴承永磁电机的磁悬浮原理进行了深入分析和数学建模，指出该类型电机所具有的独特的悬浮控制和转矩控制解耦的特点，并构建了无轴承交替极永磁电机的实时控制系统。实验结果表明实现了该新型无轴承永磁电机的动、静态稳定悬浮，验证了悬浮与转矩控制解耦的特性。     

交替极无轴承永磁电机的悬浮力脉动分析

Cosequent-Pole无轴承永磁电机的悬浮力与转子转角本质上是无关的，其控制系统因此得以简化，但考虑到谐波因素时，其引起的悬浮力脉动对于系统的悬浮性能产生了不利影响。该文推导了计及谐波的悬浮力统一公式，并以有限元分析对其进行了验证，指出了不同极对数时，产生的悬浮力脉动的情况及原因，并提出了抑制悬浮力脉动的方法，为交替极无轴承永磁电机的设计和优化提供了理论指导。     

无轴承交替极永磁电机最大合成悬浮力限幅控制

无轴承电机传统径向两自由度独立控制无法保证任意方向均可输出最大合成悬浮力。为解决传统控制策略的不足,提出最大合成悬浮力限幅控制策略,保证电机最大合成悬浮力任意方向相等,并在一台无轴承交替极永磁电机上进行仿真和实验验证,结果表明该方法的正确性。     

3对极无轴承交替极薄片电机的理论与实现

无轴承交替极永磁电机因其悬浮与旋转本质上完全解耦,其控制系统得以极大简化,但其前提条件是电机极对数必须34。极对数过大限制了其应用范围,特别是在高速场合。为减少极对数,该文研究了一种3对极无轴承交替极永磁电机。通过磁路分析发现,3对极电机中存在一固有的悬浮力脉动,且该悬浮力脉动无法完全消除。分析该脉动的数学模型发现,通过适当增加永磁体厚度、减小气隙的方法,可以将悬浮力脉动控制在可接受的范围内,采用有限元仿真对该结论进行了验证。通过实验,实现了3对极原理样机的稳定悬浮,证明了3对极无轴承交替极永磁电机的可行性。     

无轴承交替极永磁电机磁极形状优化设计

为了优化无轴承交替极永磁电机性能,从转子结构入手分析交替极转子结构及绕组形式对空载反电势、齿槽转矩等空载特性的影响,提出一种转子磁极离心的磁极形状优化设计方法。通过对比磁极优化前后空载和负载性能发现磁极形状优化对抑制反电势谐波、减小齿槽转、降低转矩脉动等具有积极意义,但同时也导致平均转矩和平均悬浮力的损失。为弥补平均转矩和悬浮力损失,提出采用适当增加转子外径、减小气隙长度的设计方法。最后利用有限元分析对比结构优化前后的基本电磁特性,电机转矩常数由0.155 N·m/A升至0.181 N·m/A,转矩脉动由30.4%降为12.1%;额定悬浮力由14.6 N升至23 N,悬浮力脉动由8%降为7.8%,最大径向耦合由7%升至7.7%。     

一种无轴承开关磁阻电机悬浮性能分析

提出了一种新型结构无轴承开关磁阻电机,其结构简化,运行过程中不需要切换控制绕组,降低了控制系统的复杂性。分析了该电机的结构特点和悬浮原理,并基于有限元计算法对新型结构电机和常规结构电机进行了比较,包括:1)两种电机在旋转过程中转子径向气隙磁密分布、径向力产生情况以及产生悬浮力的同时对静态输出转矩的影响;2)比较了控制绕组通电电流变化时产生径向力情况及对静态旋转转矩的影响。性能分析及比较结果表明,新型结构无轴承开关磁阻电机具有优良的悬浮与旋转性能,研究结果为该电机的进一步建模及运行控制建立了基础。     

基于ANSYS的无轴承永磁薄片电动机特性分析

介绍了无轴承薄片电动机的基本结构和工作原理,用转子气隙磁场积分的方法推导出电机悬浮力和电磁转矩数学模型。利用ANSYS有限元分析软件,分析了电机转子圆周面上径向悬浮力的分布,验证了径向悬浮力产生机理和数学模型准确性,分析了径向悬浮力和转矩的特性,为电机控制系统的构建提供了理论依据。     

无轴承交替极薄片电机H_∞控制器的设计

由于工作状况变动和建模误差等缘故,实际电机的精确模型很难得到。为使具有外界干扰以及模型不确定性的电机能够满足控制品质的要求,该文为一台无轴承交替极薄片电机设计了H∞鲁棒控制器。通过仿真研究,验证了所设计鲁棒控制系统可以有效地抑制外界干扰,具有良好的鲁棒稳定性,同时能够满足实际电机绕组电流幅值约束条件,所得结论为进一步开展实验研究奠定了良好的理论基础。     

永磁轴承轴向悬浮力与刚度特性分析

对常规磁轴承轴向悬浮力与刚度进行了解析计算与仿真分析。介绍了一种新型轴向永磁悬浮轴承及工作原理,运用Ansoft软件Maxwell 3D对新型永磁悬浮轴承的轴向磁悬浮力与刚度进行了有限元仿真分析,并完成了样机。实验结果表明,轴向承载力的计算值与实测值基本吻合;在偏心距的实际应用范围内,永磁轴承的径向刚度为常量;这种新结构磁悬浮轴承具有较大的轴向力,能够满足工程需求。     

基于转子偏心坐标系的无轴承永磁薄片电机径向悬浮力模型

针对无轴承永磁薄片电机(BPMSM)运行时转子悬浮不够稳定的问题,研究了影响BPMSM转子悬浮性能的主要因素,即转子径向悬浮力模型。依据位移补偿控制理论和角坐标系的概念,建立了新的转子偏心坐标系。在转子偏心坐标系下,基于麦克斯韦应力张量法,利用积分和三角变换推导了转子径向悬浮力模型,并设计悬浮力绕组电流直接控制系统。建立电机的有限元模型,通过对比径向悬浮力的有限元分析结果与数学模型计算结果,验证了所推导数学模型的正确性与准确性。     

无轴承二极电机麦克斯韦磁悬浮力解析模型

针对相关电感参数难以通过实验精确测量而无法实现磁悬浮力精确控制的问题,根据电机磁路原理,推导出了拥有四极悬浮控制绕组的柱形转子无轴承二极电机各电感参数的一般化解析计算模型。基于该参数模型和电机电磁场虚位移原理,推导出了一般化Maxwell磁悬浮力精确计算模型,并结合电机具体特点给出了SPM永磁型和感应型无轴承电机的磁悬浮力精确计算模型和各自磁悬浮力解耦控制策略的分析,从而为进一步深入研究无轴承二极电机动态运行行为和设计高精确度解耦控制器打下了理论基础。     

Torque and suspension force in a bearingless switched reluctance motor

Bearingless switched reluctance motors, which can control rotor radial positions with magnetic force, have been proposed. The bearingless switched reluctance motors are characterized by integration of switched reluctance motors and magnetic bearings. These motors have two kinds of stator windings composed of motor main windings and suspension windings in the same stator in order to produce suspension force that can realize rotor shaft suspension without mechanical contacts or lubrication. For successful stable operation, accurate theoretical formulas of instantaneous torque and suspension force are necessary to a rotational speed controller and a rotor radial position controller. This paper derives the theoretical formulas of the instantaneous torque and the suspension force from an assumption of simple permeance distribution. This derivation process makes an assumption that fringing fluxes are distributed on elliptical lines. It is shown with experimental results that the derived theoretical formulas are very accurate in terms of practical application. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 157(2): 72–82, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20157     

Analysis and 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 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. The relationships between radial forces and the permanent magnet thickness were derived. From these relationships, the optimal permanent magnet thickness to produce radial forces efficiently is found. A test machine was built to confirm the relationships of radial forces, currents and voltages.     

一种磁悬浮永磁直线电动机的电磁力特性

为消除直线电机数控机床进给系统的摩擦阻力,提出一种自身产生磁悬浮力的磁悬浮永磁直线同步电动机.从描述磁介质的分子环流假设出发,用毕奥-萨伐尔定理导出永磁体外部空间磁场分布的解析表达式,并基于由磁荷法和虚位移法给出的永磁体磁力数值积分公式,椎导出电机悬浮力波动的解析模型,说明斜极对电机悬浮力的影响.利用Maxwell 3D软件建立三维有限元瞬态分析模型,结果证明该磁悬浮永磁直线电动机自身可以产生独立并可控的推力和悬浮力.进一步建立斜极结构下电动机的三维有限元模型,分析结果表明采用斜极结构可以有效的减小电机推力和悬浮力的波动.     

一种改进的无轴承开关磁阻电机数学模型

类似于常规开关磁阻电机,无轴承开关磁阻电机的定、转子极宽并非总是相等,通常转子极宽略大于定子极宽,在建立数学模型时应当考虑这一因素.现有的无轴承开关磁阻电机数学模型都存在电机定、转子极宽相等的约束.考虑无轴承开关磁阻电机定、转子极宽可能存在的不相等因素,采用基于直线磁路和变椭圆系数的椭圆形磁路分割法求取气隙磁导,推导出无轴承开关磁阻电机的通用数学模型,使其不仅适用于定、转子极宽相等,而且适用于转子极宽大于定子极宽的情况.以实验室样机为例,将基于所建模型的分析结果与有限元分析结果进行了对比,验证了所建数学模型的正确性,精确度满足工程要求.应用所建立的无轴承开关磁阻电机数学模型,分析了定、转子极宽不等对悬浮力和转矩的显著影响.     

Magnetic suspension force in an induction bearingless motor with a squirrel cage rotor

Theoretical equations of magnetic force in an induction bearingless motor have been reported. In the bearing‐less motor, both 4‐pole and 2‐pole windings are stored in stator slots for torque and suspension force generation. In the analysis, squirrel cage rotor currents are considered. These currents are induced by both torque and suspension winding currents. Inductance matrix is represented by four sets of three‐phase windings, thus a 12×12 matrix is constructed. A simplification and reasonable assumptions are introduced to obtain understandable expressions for suspension force and torque representation. The rotor flux linkages in an induction bearingless motor are derived, and a simulation model of suspension force is then constructed. It is shown that the response and the phase of suspension force are delayed in the case of cage rotors. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 159(3): 77–87, 2007; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20340     

永磁同步电机直接转矩控制不合理转矩脉动

针对永磁同步电机直接转矩控制转矩脉动问题,依据永磁同步电机直接转矩控制理论,建立了永磁同步电机直接转矩控制系统模型,并分析了电压矢量对转矩的作用,得出以下结论:当定子磁链幅值与转矩角变化矛盾时,一定条件下转矩变化与定子磁链幅值的变化一致;此时传统开关表选择的电压矢量对转矩的实际作用与系统期望值相反,从而产生了不合理的转矩脉动.仿真结果验证了理论分析的正确性.     

单绕组无轴承开关磁阻电机转子偏心时悬浮力的分析与计算

无轴承类电机转子的偏心运行是不可避免的,由有限元分析可知转子偏心对其径向受力影响较大,忽略转子偏心时的径向受力分析将很难实现转子的稳定悬浮运行。而目前有关无轴承类电机的径向力计算都没有考虑转子偏移量的影响,只是计算转子在中心位置时的受力情况。鉴于此,针对具有结构简单优势的单绕组无轴承开关磁阻电机(BSRM),本文提出了考虑转子偏移量的径向力数学模型,给出了绕组电流、电机结构参数、转子偏移量、转子旋转位置与径向力之间的数学关系。同时考虑到转子偏心对电磁转矩的影响较小,推导了忽略偏心影响的电磁转矩解析式。与有限元分析对比结果验证了本文径向力与转矩数学模型的正确性。最后,基于推导所得的数学模型对单绕组BSRM径向力与转矩控制进行了初步的动态仿真研究,进一步验证了数学模型的准确性与实用性。