無軸承永磁電機(jī)及其控制

1、無軸承永磁電機(jī)及其控制無軸承永磁電機(jī)及其控制上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院自動化系上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院自動化系 仇志堅仇志堅 上海大學(xué)上海大學(xué)Page 2無軸承永磁電機(jī)及其控制無軸承永磁同步電機(jī)研究現(xiàn)狀無軸承永磁同步電機(jī)研究現(xiàn)狀無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理無軸承永磁同步電機(jī)建模方法無軸承永磁同步電機(jī)建模方法無軸承永磁同步電機(jī)解耦控制策略無軸承永磁同步電機(jī)解耦控制策略無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)上海大學(xué)上海大學(xué)Page 3永磁型無軸承電機(jī)研究現(xiàn)狀永磁型無軸承電機(jī)研究現(xiàn)狀n 永磁型永磁型無軸承電機(jī)：功率密度大、長無軸承電機(jī)：功率密度大、長壽命、高效率和體積小，在飛輪儲

2、能、壽命、高效率和體積小，在飛輪儲能、泵類、壓縮機(jī)、衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整等領(lǐng)域泵類、壓縮機(jī)、衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整等領(lǐng)域更具備實(shí)用化更具備實(shí)用化的優(yōu)勢。的優(yōu)勢。n 蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院和蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院和Levitronix公司公司研制研制成功的無軸承永磁電機(jī)驅(qū)動的成功的無軸承永磁電機(jī)驅(qū)動的血泵血泵以及以及可移植到人體內(nèi)的左心室輔助裝置已在可移植到人體內(nèi)的左心室輔助裝置已在臨床中應(yīng)用。臨床中應(yīng)用。 n 東京理工大學(xué)和東京理工大學(xué)和MotorSolution公司公司于于2008年將交替極型無軸承永磁電機(jī)應(yīng)用年將交替極型無軸承永磁電機(jī)應(yīng)用于半導(dǎo)體制造工廠中的于半導(dǎo)體制造工廠中的超純水泵超純水泵的電機(jī)的電機(jī), 其最高轉(zhuǎn)速

3、為其最高轉(zhuǎn)速為6000r/min、功率為、功率為1.2kW。上海大學(xué)上海大學(xué)Page 4永磁型無軸承電機(jī)研究現(xiàn)狀永磁型無軸承電機(jī)研究現(xiàn)狀n 目前，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無軸承永磁電機(jī)已經(jīng)相繼研究出現(xiàn)。目前，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無軸承永磁電機(jī)已經(jīng)相繼研究出現(xiàn)。例如例如表面貼裝式表面貼裝式、嵌入式、埋入式、混合式、嵌入式、埋入式、混合式、交替極式交替極式等。等。n 研究熱點(diǎn)主要集中在研究熱點(diǎn)主要集中在電機(jī)數(shù)學(xué)模型電機(jī)數(shù)學(xué)模型、無軸承、無軸承電機(jī)本體電機(jī)本體優(yōu)化、優(yōu)化、控制策略解耦控制策略解耦分析等方面。（南航、浙江大學(xué)、江蘇大學(xué)）分析等方面。（南航、浙江大學(xué)、江蘇大學(xué)）上海大學(xué)上海大學(xué)Page 5永磁型無軸承電

4、機(jī)研究趨勢永磁型無軸承電機(jī)研究趨勢n （1）磁懸浮機(jī)理與數(shù)學(xué)模型磁懸浮機(jī)理與數(shù)學(xué)模型研究研究n 永磁型無軸承電機(jī)內(nèi)的懸浮控制繞組、轉(zhuǎn)矩控制繞組、永磁體磁場通過氣隙永磁型無軸承電機(jī)內(nèi)的懸浮控制繞組、轉(zhuǎn)矩控制繞組、永磁體磁場通過氣隙磁場互相耦合，電磁懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生過程包含機(jī)、電、磁的各種暫態(tài)磁場互相耦合，電磁懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生過程包含機(jī)、電、磁的各種暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)運(yùn)動過程，與穩(wěn)態(tài)運(yùn)動過程，具有極強(qiáng)的非線性耦合特征具有極強(qiáng)的非線性耦合特征，而現(xiàn)有的研究多采用磁共能，而現(xiàn)有的研究多采用磁共能法、麥克斯韋張量法、有限元法等來獨(dú)立建立轉(zhuǎn)矩控制繞組與懸浮控制繞組法、麥克斯韋張量法、有限元法等來獨(dú)立建立轉(zhuǎn)

5、矩控制繞組與懸浮控制繞組數(shù)學(xué)模型，難以反映兩者間的動態(tài)非線性耦合。且不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁型無數(shù)學(xué)模型，難以反映兩者間的動態(tài)非線性耦合。且不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁型無軸承電機(jī)，懸浮機(jī)理與磁鏈方程、電壓電流方程、電磁懸浮力方程、電磁轉(zhuǎn)軸承電機(jī)，懸浮機(jī)理與磁鏈方程、電壓電流方程、電磁懸浮力方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程及其等效電路等數(shù)學(xué)模型也各有差異，因此要想獲得高品質(zhì)的轉(zhuǎn)矩與矩方程及其等效電路等數(shù)學(xué)模型也各有差異，因此要想獲得高品質(zhì)的轉(zhuǎn)矩與懸浮控制性能，必須深入研究其內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，綜合考慮懸浮控制性能，必須深入研究其內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，綜合考慮鐵心磁飽和鐵心磁飽和效應(yīng)效應(yīng)，定子齒槽效應(yīng)定子齒槽效應(yīng)、諧波分量諧波

6、分量以及以及轉(zhuǎn)子偏心轉(zhuǎn)子偏心等諸多因素，在此基礎(chǔ)上建立等諸多因素，在此基礎(chǔ)上建立更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。n 此外，現(xiàn)有的無軸承電機(jī)數(shù)學(xué)模型研究多集中在徑向兩自由度懸浮的無軸承此外，現(xiàn)有的無軸承電機(jī)數(shù)學(xué)模型研究多集中在徑向兩自由度懸浮的無軸承電機(jī)上，而對電機(jī)上，而對整個五自由度懸浮的電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型研究較少整個五自由度懸浮的電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型研究較少。五自由度懸。五自由度懸浮的電機(jī)系統(tǒng)不僅存在內(nèi)部的電磁耦合，而且各個懸浮自由度之間還存在著浮的電機(jī)系統(tǒng)不僅存在內(nèi)部的電磁耦合，而且各個懸浮自由度之間還存在著機(jī)械動力耦合機(jī)械動力耦合，因此從整個大系統(tǒng)的角度，結(jié)合轉(zhuǎn)子動力學(xué)和現(xiàn)代控制理論，

7、因此從整個大系統(tǒng)的角度，結(jié)合轉(zhuǎn)子動力學(xué)和現(xiàn)代控制理論開展五自由度懸浮數(shù)學(xué)模型的研究是無軸承電機(jī)系統(tǒng)走上實(shí)用化的關(guān)鍵所在。開展五自由度懸浮數(shù)學(xué)模型的研究是無軸承電機(jī)系統(tǒng)走上實(shí)用化的關(guān)鍵所在。 上海大學(xué)上海大學(xué)Page 6永磁型無軸承電機(jī)研究趨勢永磁型無軸承電機(jī)研究趨勢n （2）無軸承電機(jī)）無軸承電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計本體優(yōu)化設(shè)計的研究的研究n 目前永磁型無軸承電機(jī)本體研究主要是對現(xiàn)有永磁型無軸承電機(jī)目前永磁型無軸承電機(jī)本體研究主要是對現(xiàn)有永磁型無軸承電機(jī)定轉(zhuǎn)子尺寸定轉(zhuǎn)子尺寸、轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)形式、定子槽形優(yōu)化定子槽形優(yōu)化、兩套繞組匝數(shù)和線徑及其繞制方式兩套繞組匝數(shù)和線徑及其繞制方式的的

8、設(shè)計研究。仍然是將轉(zhuǎn)矩控制繞組設(shè)計與懸浮控制繞組設(shè)計研究。仍然是將轉(zhuǎn)矩控制繞組設(shè)計與懸浮控制繞組設(shè)計割裂開來設(shè)計割裂開來，借鑒，借鑒了普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組的設(shè)計過程與經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)計懸浮控制繞組，沒有了普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組的設(shè)計過程與經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)計懸浮控制繞組，沒有對懸浮控制繞組匝數(shù)、線徑與槽滿率及懸浮功率，懸浮力與懸浮性能之間的對懸浮控制繞組匝數(shù)、線徑與槽滿率及懸浮功率，懸浮力與懸浮性能之間的優(yōu)化原則進(jìn)行系統(tǒng)細(xì)致的分析研究。優(yōu)化原則進(jìn)行系統(tǒng)細(xì)致的分析研究。n 因此也無法像普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組設(shè)計那樣因此也無法像普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組設(shè)計那樣從總體上把握與預(yù)測從總體上把握與預(yù)測所設(shè)計出所設(shè)計出的電

9、機(jī)性能優(yōu)劣，同時無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組的設(shè)計目前也沒有考慮在附的電機(jī)性能優(yōu)劣，同時無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組的設(shè)計目前也沒有考慮在附加了另一套繞組之后對轉(zhuǎn)矩控制繞組電磁耦合的影響。特別是在高速、超高加了另一套繞組之后對轉(zhuǎn)矩控制繞組電磁耦合的影響。特別是在高速、超高速情況下，轉(zhuǎn)子永磁體與兩套繞組如何優(yōu)化設(shè)計才能速情況下，轉(zhuǎn)子永磁體與兩套繞組如何優(yōu)化設(shè)計才能使電機(jī)電磁性能最優(yōu)使電機(jī)電磁性能最優(yōu)，對現(xiàn)有永磁型無軸承電機(jī)的本體研究具有重大意義。對現(xiàn)有永磁型無軸承電機(jī)的本體研究具有重大意義。上海大學(xué)上海大學(xué)Page 7永磁型無軸承電機(jī)研究趨勢永磁型無軸承電機(jī)研究趨勢n （3）無軸承電機(jī)）無軸承電機(jī)新型結(jié)構(gòu)新

10、型結(jié)構(gòu)的研究的研究n 傳統(tǒng)的永磁型無軸承電機(jī)以表面貼裝式永磁電機(jī)為主，其懸浮力和轉(zhuǎn)矩輸出傳統(tǒng)的永磁型無軸承電機(jī)以表面貼裝式永磁電機(jī)為主，其懸浮力和轉(zhuǎn)矩輸出能力相互制約，能力相互制約，永磁體厚度的選擇必須折中考慮永磁體厚度的選擇必須折中考慮，太厚或太薄分別對懸浮力，太厚或太薄分別對懸浮力和轉(zhuǎn)矩輸出都有不利的影響，從而導(dǎo)致電機(jī)和轉(zhuǎn)矩輸出都有不利的影響，從而導(dǎo)致電機(jī)承載力和剛度較小承載力和剛度較小、弱磁能力差弱磁能力差、永磁體易退磁永磁體易退磁等諸多問題，嚴(yán)重制約了永磁型無軸承電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。等諸多問題，嚴(yán)重制約了永磁型無軸承電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。n 永磁體轉(zhuǎn)子兩端附加一套轉(zhuǎn)子鐵心，構(gòu)成永磁體轉(zhuǎn)子兩端

11、附加一套轉(zhuǎn)子鐵心，構(gòu)成永磁永磁-磁阻混合型轉(zhuǎn)子磁阻混合型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，以此結(jié)構(gòu)，以此提高轉(zhuǎn)矩和懸浮力。提高轉(zhuǎn)矩和懸浮力。n 交替極（交替極（consequent-pole）永磁型無軸承電機(jī)從定轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)永磁型無軸承電機(jī)從定轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制與懸浮控制的解耦，懸浮力的控制不再需要轉(zhuǎn)矩控制繞組磁了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制與懸浮控制的解耦，懸浮力的控制不再需要轉(zhuǎn)矩控制繞組磁場定向的位置角，從而在電機(jī)本體設(shè)計的角度上解決了控制的耦合性。場定向的位置角，從而在電機(jī)本體設(shè)計的角度上解決了控制的耦合性。n 此外，傳統(tǒng)的無軸承電機(jī)本身只能實(shí)現(xiàn)兩自由度的懸浮，而對必須實(shí)現(xiàn)五此外，傳統(tǒng)的無軸承電機(jī)本身只能實(shí)

12、現(xiàn)兩自由度的懸浮，而對必須實(shí)現(xiàn)五自由度穩(wěn)定懸浮的整個電機(jī)控制系統(tǒng)來說，尚需要磁軸承或其他部件來控制自由度穩(wěn)定懸浮的整個電機(jī)控制系統(tǒng)來說，尚需要磁軸承或其他部件來控制剩余三個自由度的懸浮。（剩余三個自由度的懸浮。（軸向主動懸浮的三自由度無軸承電機(jī)軸向主動懸浮的三自由度無軸承電機(jī)）n 單繞組無軸承永磁電機(jī)：單繞組無軸承永磁電機(jī)：通過改變轉(zhuǎn)矩繞組的連接方式和控制方法，一套通過改變轉(zhuǎn)矩繞組的連接方式和控制方法，一套繞組即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無軸承化。繞組即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無軸承化。上海大學(xué)上海大學(xué)Page 8永磁型無軸承電機(jī)研究趨勢永磁型無軸承電機(jī)研究趨勢n （4）無軸承電機(jī)）無軸承電機(jī)解耦控制算法解耦控制算法的

13、研究的研究n 目前研究的無軸承永磁電機(jī)控制策略中，轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)和懸浮控制子系統(tǒng)目前研究的無軸承永磁電機(jī)控制策略中，轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)和懸浮控制子系統(tǒng)之間大多存在氣隙磁場信息傳遞，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制與懸浮力控制之間存在非之間大多存在氣隙磁場信息傳遞，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制與懸浮力控制之間存在非線性強(qiáng)耦合特性，使得兩者控制策略相互制約，導(dǎo)致解耦算法復(fù)雜，不利于線性強(qiáng)耦合特性，使得兩者控制策略相互制約，導(dǎo)致解耦算法復(fù)雜，不利于實(shí)用化。因此，采用轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)和懸浮控制子系統(tǒng)實(shí)用化。因此，采用轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)和懸浮控制子系統(tǒng)獨(dú)立控制獨(dú)立控制，既使得懸，既使得懸浮控制擺脫轉(zhuǎn)矩控制繞組磁場定向控制精度以及其參數(shù)變化的影響

14、，又可實(shí)浮控制擺脫轉(zhuǎn)矩控制繞組磁場定向控制精度以及其參數(shù)變化的影響，又可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制繞組可以采用通用變頻器轉(zhuǎn)矩控制繞組可以采用通用變頻器，提高了實(shí)用性。，提高了實(shí)用性。n 無軸承電機(jī)相對于普通電機(jī)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，不同工況下的電機(jī)參數(shù)變化對轉(zhuǎn)無軸承電機(jī)相對于普通電機(jī)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，不同工況下的電機(jī)參數(shù)變化對轉(zhuǎn)矩控制和懸浮控制性能造成的影響更為明顯。一方面，通過運(yùn)用現(xiàn)代控制理矩控制和懸浮控制性能造成的影響更為明顯。一方面，通過運(yùn)用現(xiàn)代控制理論的方法，例如論的方法，例如模型參考自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制對繞組電感系數(shù)等相應(yīng)參數(shù)測量、辨識對繞組電感系數(shù)等相應(yīng)參數(shù)測量、辨識或采用補(bǔ)償控制來消除參數(shù)變化對

15、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩等性能或采用補(bǔ)償控制來消除參數(shù)變化對電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩等性能指標(biāo)的影響，從而指標(biāo)的影響，從而提高懸浮運(yùn)行控制的魯棒性提高懸浮運(yùn)行控制的魯棒性。另一方面，鑒于無軸承電機(jī)。另一方面，鑒于無軸承電機(jī)本身是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制對象，選擇穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)、本身是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制對象，選擇穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)、適用面廣的控制方法設(shè)計出性能優(yōu)良的控制器如適用面廣的控制方法設(shè)計出性能優(yōu)良的控制器如H控制控制，以提高無軸承系統(tǒng)，以提高無軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。上海大學(xué)上海大學(xué)Page 9永磁型無軸承電機(jī)研究趨勢永磁型無

16、軸承電機(jī)研究趨勢n （5）無速度無位移傳感器技術(shù)無速度無位移傳感器技術(shù)的研究的研究n 永磁型無軸承電機(jī)采用的磁場定向控制的性能受需要檢測的轉(zhuǎn)子位置和速度永磁型無軸承電機(jī)采用的磁場定向控制的性能受需要檢測的轉(zhuǎn)子位置和速度精度的影響較大，而懸浮力與轉(zhuǎn)矩的解耦控制性能又受轉(zhuǎn)矩控制繞組所檢測精度的影響較大，而懸浮力與轉(zhuǎn)矩的解耦控制性能又受轉(zhuǎn)矩控制繞組所檢測的氣隙磁場空間位置與幅值的影響。的氣隙磁場空間位置與幅值的影響。對在高速領(lǐng)域具備獨(dú)特優(yōu)良性能的無軸對在高速領(lǐng)域具備獨(dú)特優(yōu)良性能的無軸承電機(jī)來說，顯然采用機(jī)械式傳感器顯得不合時宜承電機(jī)來說，顯然采用機(jī)械式傳感器顯得不合時宜。因此研究無軸承電機(jī)的。因此研

17、究無軸承電機(jī)的無位置無位置/速度傳感器運(yùn)行已成為無軸承電機(jī)實(shí)現(xiàn)高速、超高速化的迫切需要。速度傳感器運(yùn)行已成為無軸承電機(jī)實(shí)現(xiàn)高速、超高速化的迫切需要。n 檢測轉(zhuǎn)子懸浮位移的電渦流傳感器一方面存在安裝精度與可靠性問題，另一檢測轉(zhuǎn)子懸浮位移的電渦流傳感器一方面存在安裝精度與可靠性問題，另一方面?zhèn)鞲衅鲾?shù)量多，造價昂貴，又占有一定的軸向檢測空間，增加了無軸承方面?zhèn)鞲衅鲾?shù)量多，造價昂貴，又占有一定的軸向檢測空間，增加了無軸承電機(jī)系統(tǒng)的體積和長度，不利于無軸承電機(jī)的實(shí)用化。電機(jī)系統(tǒng)的體積和長度，不利于無軸承電機(jī)的實(shí)用化。現(xiàn)有無位移傳感器檢現(xiàn)有無位移傳感器檢測技術(shù)都是基于電機(jī)繞組自感變化或互感變化的測技術(shù)都是

18、基于電機(jī)繞組自感變化或互感變化的，有通過繞制在定子齒上的，有通過繞制在定子齒上的附加探測線圈測量出包含轉(zhuǎn)子位移信號的差動電壓信號來辨識轉(zhuǎn)子位移，也附加探測線圈測量出包含轉(zhuǎn)子位移信號的差動電壓信號來辨識轉(zhuǎn)子位移，也有從懸浮控制繞組功率變換器的開關(guān)信號中提取轉(zhuǎn)子位移信息的，還有利用有從懸浮控制繞組功率變換器的開關(guān)信號中提取轉(zhuǎn)子位移信息的，還有利用高頻電壓注入法在懸浮控制繞組中施加高頻激勵來獲取轉(zhuǎn)子位移信號的?，F(xiàn)高頻電壓注入法在懸浮控制繞組中施加高頻激勵來獲取轉(zhuǎn)子位移信號的。現(xiàn)有的無位移傳感器技術(shù)的研究尚處于起步階段，所提取的轉(zhuǎn)子位移信號有的無位移傳感器技術(shù)的研究尚處于起步階段，所提取的轉(zhuǎn)子位移信號

19、還未還未能滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用能滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用。上海大學(xué)上海大學(xué)Page 10無軸承永磁電機(jī)及其控制無軸承永磁同步電機(jī)研究現(xiàn)狀無軸承永磁同步電機(jī)研究現(xiàn)狀無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理無軸承永磁同步電機(jī)建模方法無軸承永磁同步電機(jī)建模方法無軸承永磁同步電機(jī)解耦控制策略無軸承永磁同步電機(jī)解耦控制策略無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)上海大學(xué)上海大學(xué)Page 11無軸承永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)（無軸承永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)（以表貼式為例以表貼式為例）n 三相對稱分布繞組三相對稱分布繞組N1A，N1B和和N1C與普通永磁同步電機(jī)相同，主要用于產(chǎn)生無與普通永磁同步電機(jī)相同，主要用于產(chǎn)生無軸

20、承永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，一般稱之為軸承永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，一般稱之為轉(zhuǎn)矩控制繞組轉(zhuǎn)矩控制繞組（極對數(shù)（極對數(shù)p1=2，電，電角頻率角頻率w w1）；另一套三相對稱分布繞組）；另一套三相對稱分布繞組N2A，N2B和和N2C用來產(chǎn)生磁懸浮力，控用來產(chǎn)生磁懸浮力，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向懸浮，一般稱之為制電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向懸浮，一般稱之為懸浮控制繞組懸浮控制繞組（極對數(shù)（極對數(shù)p2=1，電角頻率，電角頻率w w2）。）。 上海大學(xué)上海大學(xué)Page 12無軸承永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)無軸承永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)n 圖中電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮端裝有輔助滾動軸承，以防止在沒有施加徑向懸浮力圖中電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮端裝有輔助滾動軸承，以防止在沒有施加徑向

21、懸浮力電流時電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子相碰撞。電流時電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子相碰撞。輔助軸承與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸之間存在間隙輔助軸承與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸之間存在間隙，當(dāng)，當(dāng)懸浮控制繞組通入電流產(chǎn)生懸浮力，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸便脫離該機(jī)械輔助軸承而懸浮控制繞組通入電流產(chǎn)生懸浮力，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸便脫離該機(jī)械輔助軸承而懸浮，輔助軸承也就停止不動。測量轉(zhuǎn)子位移的位置傳感器安裝在電機(jī)懸浮，輔助軸承也就停止不動。測量轉(zhuǎn)子位移的位置傳感器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮端一側(cè)的電機(jī)端蓋上，基準(zhǔn)環(huán)緊配合于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上用于測量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子懸浮端一側(cè)的電機(jī)端蓋上，基準(zhǔn)環(huán)緊配合于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上用于測量轉(zhuǎn)子徑向位移量。子徑向位移量。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸另一端由調(diào)心輔助軸承支撐轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸另一端由調(diào)心輔助軸承支撐，其與

22、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸之，其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸之間不存在間隙，其作用相當(dāng)于一個支點(diǎn)，將電機(jī)系統(tǒng)的另外三自由度控間不存在間隙，其作用相當(dāng)于一個支點(diǎn)，將電機(jī)系統(tǒng)的另外三自由度控制住。用來測量轉(zhuǎn)速的光碼盤安裝在調(diào)心輔助軸承一側(cè)的電機(jī)端蓋上。制住。用來測量轉(zhuǎn)速的光碼盤安裝在調(diào)心輔助軸承一側(cè)的電機(jī)端蓋上。上海大學(xué)上海大學(xué)Page 13無軸承永磁電機(jī)原理（無軸承永磁電機(jī)原理（以表貼式為例以表貼式為例）n 圖圖(a)中轉(zhuǎn)矩繞組磁場與懸浮繞組磁場在右側(cè)同向而增強(qiáng)，左側(cè)反向中轉(zhuǎn)矩繞組磁場與懸浮繞組磁場在右側(cè)同向而增強(qiáng)，左側(cè)反向而減弱，從而產(chǎn)生向右的磁拉力，而圖而減弱，從而產(chǎn)生向右的磁拉力，而圖(b)中兩套繞組磁場疊加后產(chǎn)中兩套繞組磁

23、場疊加后產(chǎn)生向上的磁拉力。生向上的磁拉力。通過有效控制兩套繞組的電流即可產(chǎn)生可控的任意通過有效控制兩套繞組的電流即可產(chǎn)生可控的任意方向和大小的磁拉力。方向和大小的磁拉力。由傳感器測得轉(zhuǎn)子的偏心位移，進(jìn)行轉(zhuǎn)子徑向由傳感器測得轉(zhuǎn)子的偏心位移，進(jìn)行轉(zhuǎn)子徑向位移的負(fù)反饋控制，根據(jù)一定的算法可求出兩套繞組所需的電流，從位移的負(fù)反饋控制，根據(jù)一定的算法可求出兩套繞組所需的電流，從而控制轉(zhuǎn)子上的徑向懸浮力的大小和方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。而控制轉(zhuǎn)子上的徑向懸浮力的大小和方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。 n 無軸承永磁同步電機(jī)是在普通永磁同步電機(jī)定子電樞鐵心原有繞組基無軸承永磁同步電機(jī)是在普通永磁同步電機(jī)定子電樞鐵

24、心原有繞組基礎(chǔ)上再疊繞一套繞組，通過兩套繞組礎(chǔ)上再疊繞一套繞組，通過兩套繞組磁場的疊加磁場的疊加使電機(jī)同時具有旋轉(zhuǎn)使電機(jī)同時具有旋轉(zhuǎn)和自懸浮能力。和自懸浮能力。n 其中轉(zhuǎn)矩控制繞組通適當(dāng)電流后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場帶動永磁轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)其中轉(zhuǎn)矩控制繞組通適當(dāng)電流后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場帶動永磁轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而懸浮控制繞組通以電流后產(chǎn)生的磁場疊加在電機(jī)原旋轉(zhuǎn)磁速旋轉(zhuǎn)，而懸浮控制繞組通以電流后產(chǎn)生的磁場疊加在電機(jī)原旋轉(zhuǎn)磁場上，打破了原有的磁場平衡，使得合成的氣隙磁場作用在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)場上，打破了原有的磁場平衡，使得合成的氣隙磁場作用在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一定方向和大小的磁拉力。生一定方向和大小的磁拉力。減弱減弱增強(qiáng)增強(qiáng)關(guān)鍵：兩

25、套繞組磁場的相位關(guān)系關(guān)鍵：兩套繞組磁場的相位關(guān)系上海大學(xué)上海大學(xué)Page 14無軸承永磁電機(jī)原理（無軸承永磁電機(jī)原理（以表貼式為例以表貼式為例）n 研究表明，只有當(dāng)轉(zhuǎn)矩控制繞組極對數(shù)與懸浮控制繞組極對數(shù)滿足研究表明，只有當(dāng)轉(zhuǎn)矩控制繞組極對數(shù)與懸浮控制繞組極對數(shù)滿足p1=p21，且同步旋轉(zhuǎn)角速度，且同步旋轉(zhuǎn)角速度w w1=w w2時，才能產(chǎn)生可控的徑向懸浮力。時，才能產(chǎn)生可控的徑向懸浮力。以以p1=2、p2=1為例，下圖較形象的說明只有當(dāng)為例，下圖較形象的說明只有當(dāng)w w1=w w2時，才能產(chǎn)生同時，才能產(chǎn)生同一方向的力（如克服重力），否則不可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮。一方向的力（如克服重力），否則不可

26、能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮。n 所以所以懸浮控制需要時刻知道氣隙磁場的旋轉(zhuǎn)位置角懸浮控制需要時刻知道氣隙磁場的旋轉(zhuǎn)位置角，以保證懸浮控制，以保證懸浮控制繞組磁場在適當(dāng)?shù)臅r刻疊加在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置上，以形成所需的繞組磁場在適當(dāng)?shù)臅r刻疊加在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置上，以形成所需的懸浮力。懸浮力。 w w1=w w2w w1=w w2/20tw2wtwt23wt上海大學(xué)上海大學(xué)Page 15無軸承永磁電機(jī)及其控制無軸承永磁同步電機(jī)研究現(xiàn)狀無軸承永磁同步電機(jī)研究現(xiàn)狀無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理無軸承永磁同步電機(jī)建模方法無軸承永磁同步電機(jī)建模方法無軸承永磁同步電機(jī)解耦控制策略無軸承永磁同步電機(jī)

27、解耦控制策略無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)上海大學(xué)上海大學(xué)Page 16無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（以表貼式為例以表貼式為例）n 傳統(tǒng)電機(jī)中存在兩種不同類型的電磁力：傳統(tǒng)電機(jī)中存在兩種不同類型的電磁力：麥克斯韋力麥克斯韋力、洛洛倫茲力倫茲力n （1）麥克斯韋力）麥克斯韋力n 磁路中在不同磁導(dǎo)率的磁性介質(zhì)（如空氣和鐵心）邊界上磁路中在不同磁導(dǎo)率的磁性介質(zhì)（如空氣和鐵心）邊界上形成的磁張應(yīng)力稱之為麥克斯韋力，也稱為形成的磁張應(yīng)力稱之為麥克斯韋力，也稱為磁阻力磁阻力。主要。主要作用表現(xiàn)為徑向磁拉力，該力的作用方向垂直于磁性物質(zhì)作用表現(xiàn)為徑向磁拉力，該力的作用

28、方向垂直于磁性物質(zhì)邊界面。邊界面。n 設(shè)鐵芯和氣隙的磁導(dǎo)率為設(shè)鐵芯和氣隙的磁導(dǎo)率為m mFe和和m m0，交界面上的法向磁感應(yīng)，交界面上的法向磁感應(yīng)強(qiáng)度和切向磁場強(qiáng)度是強(qiáng)度和切向磁場強(qiáng)度是Bn和和Hl，由于磁力線進(jìn)出鐵心時幾，由于磁力線進(jìn)出鐵心時幾乎垂直于鐵芯表面，則乎垂直于鐵芯表面，則Hl0，電機(jī)中鐵芯和氣隙邊界上單，電機(jī)中鐵芯和氣隙邊界上單位面積的麥克斯韋力表示為位面積的麥克斯韋力表示為 02202002)(2mmmmmmmntFenFeFezBHB上海大學(xué)上海大學(xué)Page 17無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（以表貼式為例以表貼式為例）n 麥克斯韋力作用方向垂直于轉(zhuǎn)子表面，

29、一般分析電機(jī)氣隙磁場時都是假定麥克斯韋力作用方向垂直于轉(zhuǎn)子表面，一般分析電機(jī)氣隙磁場時都是假定氣隙磁密是氣隙磁密是對稱均勻分布對稱均勻分布的，此時其合成麥克斯韋力為零，如左圖所示。的，此時其合成麥克斯韋力為零，如左圖所示。n 但實(shí)際由于電機(jī)加工及裝配等原因會造成轉(zhuǎn)子偏心，特別是對無軸承電機(jī)但實(shí)際由于電機(jī)加工及裝配等原因會造成轉(zhuǎn)子偏心，特別是對無軸承電機(jī)來說，其轉(zhuǎn)軸與輔助機(jī)械軸承之間是有間隙的，實(shí)際懸浮運(yùn)行時定、轉(zhuǎn)子來說，其轉(zhuǎn)軸與輔助機(jī)械軸承之間是有間隙的，實(shí)際懸浮運(yùn)行時定、轉(zhuǎn)子位置必定不同心，使得電機(jī)中的氣隙磁密分布不均勻，麥克斯韋合力就不位置必定不同心，使得電機(jī)中的氣隙磁密分布不均勻，麥克斯

30、韋合力就不為零。其作用方向和轉(zhuǎn)子偏心的方向一致，轉(zhuǎn)子的偏心量越大，麥克斯韋為零。其作用方向和轉(zhuǎn)子偏心的方向一致，轉(zhuǎn)子的偏心量越大，麥克斯韋力也越大，因此為力也越大，因此為負(fù)剛度的磁拉力負(fù)剛度的磁拉力。 n 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮，必須利用為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮，必須利用位移的負(fù)反饋控制位移的負(fù)反饋控制將麥克斯韋力的負(fù)剛度改將麥克斯韋力的負(fù)剛度改變?yōu)檎齽偠取Ｍㄟ^主動調(diào)節(jié)懸浮控制繞組電流的幅值與方向，產(chǎn)生相應(yīng)的變?yōu)檎齽偠取Ｍㄟ^主動調(diào)節(jié)懸浮控制繞組電流的幅值與方向，產(chǎn)生相應(yīng)的懸浮控制磁場改變原有磁場在氣隙中的對稱分布，依靠可控的麥克斯韋力懸浮控制磁場改變原有磁場在氣隙中的對稱分布，依靠可控的麥克斯韋力將轉(zhuǎn)子拉回

31、平衡位置。將轉(zhuǎn)子拉回平衡位置。上海大學(xué)上海大學(xué)Page 18無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（以表貼式為例以表貼式為例）n （2）洛倫茲力）洛倫茲力n 洛倫茲力是電機(jī)內(nèi)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與洛倫茲力是電機(jī)內(nèi)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與載流導(dǎo)體載流導(dǎo)體中電流相互作中電流相互作用而成的，因此也被稱之為用而成的，因此也被稱之為安培力安培力，其主要作用是，其主要作用是產(chǎn)生電產(chǎn)生電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。n 由于無軸承永磁同步電機(jī)定子上有兩套繞組，懸浮控制繞由于無軸承永磁同步電機(jī)定子上有兩套繞組，懸浮控制繞組和轉(zhuǎn)矩控制繞組的相互作用不僅會產(chǎn)生麥克斯韋力，而組和轉(zhuǎn)矩控制繞組的相互作用不僅會產(chǎn)生麥克斯韋力，而且還

32、會產(chǎn)生洛倫茲力。該力在懸浮控制中所起的作用究竟且還會產(chǎn)生洛倫茲力。該力在懸浮控制中所起的作用究竟如何，必須加以分析。如何，必須加以分析。 上海大學(xué)上海大學(xué)Page 19無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（以表貼式為例以表貼式為例）n 為簡化推導(dǎo)過程，得到實(shí)際可控的數(shù)學(xué)模型，做如下假設(shè)：為簡化推導(dǎo)過程，得到實(shí)際可控的數(shù)學(xué)模型，做如下假設(shè)：n （1）三相定子繞組在空間對稱分布，各相電流所產(chǎn)生的磁勢在氣隙空間）三相定子繞組在空間對稱分布，各相電流所產(chǎn)生的磁勢在氣隙空間是正弦分布的，忽略其高次諧波分量；是正弦分布的，忽略其高次諧波分量；n （2）轉(zhuǎn)矩控制繞組轉(zhuǎn)矩控制繞組A相繞組軸線與懸浮控

33、制繞組相繞組軸線與懸浮控制繞組A相繞組軸線重合相繞組軸線重合；n （3）忽略短距元件組以及分布繞組對氣隙磁勢的影響；）忽略短距元件組以及分布繞組對氣隙磁勢的影響；n （4）忽略齒槽漏感，端部漏感及磁飽和效應(yīng)；）忽略齒槽漏感，端部漏感及磁飽和效應(yīng)；n （5）忽略鐵心磁阻和渦流損耗，整個磁路系統(tǒng)只考慮工作氣隙的磁阻；）忽略鐵心磁阻和渦流損耗，整個磁路系統(tǒng)只考慮工作氣隙的磁阻；n （6）不考慮溫度對電機(jī)參數(shù)的影響。）不考慮溫度對電機(jī)參數(shù)的影響。n 另外，為便于分析磁勢的空間分布，將定子內(nèi)圓沿圓周展開。另外，為便于分析磁勢的空間分布，將定子內(nèi)圓沿圓周展開。在定子表面取直角坐標(biāo)，在定子表面取直角坐標(biāo)，縱

34、坐標(biāo)軸與縱坐標(biāo)軸與A相繞組軸線重合相繞組軸線重合，并，并以磁力線從定子穿過氣隙到轉(zhuǎn)子所耗磁勢為正方向，反之為以磁力線從定子穿過氣隙到轉(zhuǎn)子所耗磁勢為正方向，反之為負(fù)；定子內(nèi)圓圓周為橫坐標(biāo)軸，且逆時針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?。?fù)；定子內(nèi)圓圓周為橫坐標(biāo)軸，且逆時針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?。上海大學(xué)上海大學(xué)Page 20無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（以表貼式為例以表貼式為例）n 設(shè)無軸承電機(jī)中總氣隙磁密為設(shè)無軸承電機(jī)中總氣隙磁密為B，則作用在單位轉(zhuǎn)子表面上的麥克斯韋，則作用在單位轉(zhuǎn)子表面上的麥克斯韋力為力為 2M02B dSdFmn 則麥克斯韋力沿則麥克斯韋力沿x，y方向上的分量為方向上的分量為l電

35、機(jī)有效鐵心長度；r轉(zhuǎn)子外徑；j空間位置角 n 根據(jù)根據(jù)氣隙磁導(dǎo)分布理論氣隙磁導(dǎo)分布理論，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸心偏離定子軸心的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸心偏離定子軸心的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子半徑時，電機(jī)氣隙分布可近似的表示為半徑時，電機(jī)氣隙分布可近似的表示為 2M02M0( , )( )cos2( , )( )sin2xyBt lrddFBt lrddFjjjjmjjjjm000( ,t)cos()(1cos()cossinexy jj j jjn 式中式中 0為不偏心時的電機(jī)平均氣隙長度；為不偏心時的電機(jī)平均氣隙長度；e為定、轉(zhuǎn)為定、轉(zhuǎn)子偏心距；子偏心距；e/ / 0 ， 為定、轉(zhuǎn)子中心為定、轉(zhuǎn)子中心Cs、CR

36、的連線的連線與與x軸的夾角，軸的夾角，x=ecos ，y=esin 分別為分別為e在在x ,y方方向上的分量。則考慮偏心時的向上的分量。則考慮偏心時的單位長度氣隙磁導(dǎo)單位長度氣隙磁導(dǎo)為為yx定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子eCSCRXY0(j)j00000( , )/ ( , )1cos()1cos()ttmmjm jj j (1)(1)上海大學(xué)上海大學(xué)Page 21無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（以表貼式為例以表貼式為例）n 由電機(jī)中由電機(jī)中p1對極轉(zhuǎn)矩控制繞組對極轉(zhuǎn)矩控制繞組電流及轉(zhuǎn)子永磁體磁場共同建立的合成氣電流及轉(zhuǎn)子永磁體磁場共同建立的合成氣隙磁動勢基波為隙磁動勢基波為 ，由，由p2對

37、極懸浮控制繞組對極懸浮控制繞組在氣在氣隙中所產(chǎn)生的磁動勢基波為隙中所產(chǎn)生的磁動勢基波為 。 ， 分別為兩繞分別為兩繞組的氣隙磁動勢基波幅值；組的氣隙磁動勢基波幅值；l l，m m分別為懸浮和轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁動勢基波分別為懸浮和轉(zhuǎn)矩繞組氣隙磁動勢基波的空間初始相位角。的空間初始相位角。n 則由兩繞組產(chǎn)生的則由兩繞組產(chǎn)生的氣隙磁通密度氣隙磁通密度分別為分別為n 由于無軸承電機(jī)的氣隙磁密是由轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組共同產(chǎn)生由于無軸承電機(jī)的氣隙磁密是由轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組共同產(chǎn)生的，磁路為線性，則的，磁路為線性，則無軸承電機(jī)的總氣隙磁密無軸承電機(jī)的總氣隙磁密可表示為可表示為 n 設(shè)均勻氣隙下轉(zhuǎn)矩

38、和懸浮氣隙磁通密度幅值分別為設(shè)均勻氣隙下轉(zhuǎn)矩和懸浮氣隙磁通密度幅值分別為n 式中式中N1、N2分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù)；分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮控制繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù)； 、 分分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組勵磁電流幅值和懸浮控制繞組電流幅值。別為轉(zhuǎn)矩控制繞組勵磁電流幅值和懸浮控制繞組電流幅值。1111( , )cos()FtFtpjwjm2222( , )cos()FtFtpjwj l1F2F),(),(),(),(),(),(2211tFttBtFttBjjjjjj1212( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )BtBtBtt Ftt Ftjjjjjjj

39、001111001002222002N3 4()22N3 4()22iBFpiBFpmmmm1i2i(2)(2)上海大學(xué)上海大學(xué)Page 22221 21 21 20002221 21200221200cos()cos()cos(2 )248()cos(22 )cos82cos(22)cos(22)44MxlrBBlrBBlrBBFlrBBlr BBtlrBlrBttm lm lm lmmm wm lmmwm wl mm （1）式中第）式中第1，2，3項(xiàng)在項(xiàng)在p1=p21時存在，其中時存在，其中第第1項(xiàng)項(xiàng)為均勻氣隙中轉(zhuǎn)矩控制繞組氣隙磁為均勻氣隙中轉(zhuǎn)矩控制繞組氣隙磁場和懸浮控制繞組電流相互作用所

40、產(chǎn)生的懸浮力，場和懸浮控制繞組電流相互作用所產(chǎn)生的懸浮力，是可控懸浮力的主要分量是可控懸浮力的主要分量；（2）式中第）式中第4項(xiàng)在項(xiàng)在p1+p2=3時存在；式中第時存在；式中第5項(xiàng)是由氣隙偏心所產(chǎn)生的項(xiàng)是由氣隙偏心所產(chǎn)生的固有單邊磁拉力固有單邊磁拉力，與，與兩繞組的極對數(shù)無關(guān)；式中第兩繞組的極對數(shù)無關(guān)；式中第6項(xiàng)僅在項(xiàng)僅在p1=1時存在；式中第時存在；式中第7項(xiàng)僅在項(xiàng)僅在p2=1時存在；時存在；（3）式中除第）式中除第1項(xiàng)外，其余都是偏心項(xiàng)外，其余都是偏心 的非線性函數(shù)，的非線性函數(shù)， 可以是振動偏心，也可以是靜偏心可以是振動偏心，也可以是靜偏心或者兩者之和；或者兩者之和；（4）第）第4，6，

41、7項(xiàng)是項(xiàng)是2w w的周期函數(shù)，它們要激發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子軸的參數(shù)振動；的周期函數(shù)，它們要激發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子軸的參數(shù)振動；（5）特別的，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止不動時，式中與）特別的，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止不動時，式中與w wt有關(guān)的第有關(guān)的第4，6，7項(xiàng)不再存在，而與相角項(xiàng)不再存在，而與相角m m、l l以及偏心角以及偏心角 有關(guān)的分量仍然存在。而式中第有關(guān)的分量仍然存在。而式中第2、3項(xiàng)由于帶有項(xiàng)由于帶有 的平方項(xiàng)，在電機(jī)小的平方項(xiàng)，在電機(jī)小偏心的情況下，此兩項(xiàng)與第偏心的情況下，此兩項(xiàng)與第5項(xiàng)同式中第項(xiàng)同式中第1項(xiàng)相比較小而可以近似忽略。項(xiàng)相比較小而可以近似忽略。無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（以表貼式

42、為例以表貼式為例）n 將式將式(2)代入式代入式(1)進(jìn)行積分，可求出偏心情況下，轉(zhuǎn)子受到的麥克斯韋力分量進(jìn)行積分，可求出偏心情況下，轉(zhuǎn)子受到的麥克斯韋力分量22121212000222121200221200cos()cos()cos(2 )248()cos(22 )cos82cos(22)cos(22)44MxlrBBlrBBlrBBFlrBBlr BBtlrBlrBttm lm lm lmmm wm lmmwm wl mm 221 21 21 20002221 21200221200sin()sin()sin(2 )248()sin(22 )sin82sin(22)sin(22)44My

43、lrBBlrBBlrBBFlrBBlr BBtlrBlrBttm lm lm lmmm wm lmmwm wl mm 上海大學(xué)上海大學(xué)Page 23無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（以表貼式為例以表貼式為例）n 洛倫茲力對懸浮力的貢獻(xiàn)：洛倫茲力對懸浮力的貢獻(xiàn)：其中A(j,t)電機(jī)定子繞組電流分布；B(j,t)氣隙磁通密度分布。 L( , )( , )dFlrAt Bt djjj n 沿沿x、y方向上洛倫茲力分量為方向上洛倫茲力分量為:2L02L0( , ) ( , )sin( , ) ( , )cosxyFlrAt BtdFlrAt Btdjjj jjjj j n 如忽略磁性材料

44、的磁壓降，轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組中如忽略磁性材料的磁壓降，轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組中電流分布電流分布為為:111111 1222222 2( , )sin()N/()( , )sin()N/()ppAtAptAmirAtAptAmirjjwmjjwl (3)(3)(4)(4)n 將式將式(4)代入式代入式(3)進(jìn)行積分，可求出偏心情況下，轉(zhuǎn)子受到的進(jìn)行積分，可求出偏心情況下，轉(zhuǎn)子受到的洛倫茲力分量洛倫茲力分量1 11 1Lx212 22 2121 11 1Ly212 22 212NNcos()cos(22)24NNcos()cos(22)24NNsin()sin(22)24NNsin()

45、sin(22)24pppppppplmilmiFBBtlmilmiBBtlmilmiFBBtlmilmiBBtlmwmlmwllmwmlmwl n 式中前兩項(xiàng)和后兩項(xiàng)分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組式中前兩項(xiàng)和后兩項(xiàng)分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組電流分布和懸浮控制繞組電流分布與無軸電流分布和懸浮控制繞組電流分布與無軸承電機(jī)總氣隙磁密作用而產(chǎn)生的沿承電機(jī)總氣隙磁密作用而產(chǎn)生的沿x，y方方向的洛倫茲力分量。向的洛倫茲力分量。n 其中第一、三項(xiàng)在其中第一、三項(xiàng)在p1=p21時存在，是無時存在，是無軸承電機(jī)磁懸浮力的重要組成部分；第二、軸承電機(jī)磁懸浮力的重要組成部分；第二、四項(xiàng)分別當(dāng)四項(xiàng)分別當(dāng)p1=1、 p2=1時存在，它們是

46、時存在，它們是2w w的周期函數(shù)，會激發(fā)電機(jī)的參數(shù)振動。的周期函數(shù)，會激發(fā)電機(jī)的參數(shù)振動。 上海大學(xué)上海大學(xué)Page 2422ML1 2M1 222212M1 212012112111012 2222202(1)cos()cos(2 )24coscos(22 )()() 48NN()cos(22)16N8()cos(16N8xmmmmpmmpFkkikippkitlrm piptlrrm piplrrm lm lwm lmwm mm 22)twl 22ML1 2M1 222212M1 2120121 12111012 2222202(1)sin()sin(2 )24sinsin(22 )()(

47、) 48NN()sin(22)16N8()sin16N8ymmmmpmmpFkkikippkitlrm piptlrrm p iplrrm lm lwm lmwm mm (22)twl 無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（以表貼式為例以表貼式為例）n 合成懸浮力：合成懸浮力：由于每極氣隙磁通值為由于每極氣隙磁通值為n 每相氣隙磁鏈值為每相氣隙磁鏈值為:111222N ,Nmn 綜合考慮偏心情況下，無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子上受到的合成磁懸浮力應(yīng)為麥克斯韋綜合考慮偏心情況下，無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子上受到的合成磁懸浮力應(yīng)為麥克斯韋力和洛倫茲力二者之和力和洛倫茲力二者之和:1112222/2/lrBplrB

48、p，11 122 2,mmmL iL in 式中第式中第1、2項(xiàng)在項(xiàng)在p1=p21時存在，式中第時存在，式中第3項(xiàng)在項(xiàng)在p1+p2=3時存在；式中第時存在；式中第4項(xiàng)是由氣隙偏項(xiàng)是由氣隙偏心所產(chǎn)生的固有單邊磁拉力，與兩繞組的極對數(shù)組合無關(guān)；式中第心所產(chǎn)生的固有單邊磁拉力，與兩繞組的極對數(shù)組合無關(guān)；式中第5項(xiàng)在項(xiàng)在p1=1時存在；時存在；式中第式中第6項(xiàng)在項(xiàng)在p2=1時存在。時存在。其中其中 ， 。 n 式中第式中第1、2、4項(xiàng)是可控磁懸浮力的主要組成部分，其余項(xiàng)是可控磁懸浮力的主要組成部分，其余3項(xiàng)以為周期激發(fā)定、轉(zhuǎn)子間項(xiàng)以為周期激發(fā)定、轉(zhuǎn)子間的振動；洛倫茲力分量一方面使可控麥克斯韋力的幅值有

49、所減小，削弱了電機(jī)的麥克的振動；洛倫茲力分量一方面使可控麥克斯韋力的幅值有所減小，削弱了電機(jī)的麥克斯韋力分量；另一方面也使轉(zhuǎn)子的周期振動幅值有所降低，起到了一定的不平衡補(bǔ)償斯韋力分量；另一方面也使轉(zhuǎn)子的周期振動幅值有所降低，起到了一定的不平衡補(bǔ)償作用；作用；電機(jī)中的麥克斯韋力分量比洛倫茲力分量要大得多電機(jī)中的麥克斯韋力分量比洛倫茲力分量要大得多。 /(8N N )M1 2 m20 1 2kp p LlrmmN /(4N )Lp 1 22 1kprp上海大學(xué)上海大學(xué)Page 25無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（懸浮力模型懸浮力模型）n 設(shè)設(shè)Lm1、Lm2分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控

50、制繞組的互感，由電機(jī)設(shè)計學(xué)可分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組的互感，由電機(jī)設(shè)計學(xué)可知知 ，可控麥克斯韋力和洛倫茲力的幅值可分別寫成，可控麥克斯韋力和洛倫茲力的幅值可分別寫成 n 比較上述兩式，對三相永磁同步電動機(jī)而言（比較上述兩式，對三相永磁同步電動機(jī)而言（mp=3），由于），由于r 0，故，故FmFL,受控懸浮力主要是麥克斯韋力受控懸浮力主要是麥克斯韋力。n 上述推導(dǎo)出的懸浮力解析模型比較復(fù)雜，不便于實(shí)時控制，為此需進(jìn)一步簡上述推導(dǎo)出的懸浮力解析模型比較復(fù)雜，不便于實(shí)時控制，為此需進(jìn)一步簡化。為便于分析，化。為便于分析，設(shè)轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組的設(shè)轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組的A相軸線、時

51、間軸、相軸線、時間軸、x軸軸線及位移傳感器中心線均重合線及位移傳感器中心線均重合，y軸超前軸超前x軸軸90度空間角?？紤]到度空間角?？紤]到x，y， 2 2數(shù)數(shù)值較小，忽略其平方項(xiàng)，并用值較小，忽略其平方項(xiàng)，并用同步旋轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系坐標(biāo)系下的分量表示為下的分量表示為 1201212 06NN /()mmL Llrp pmMM1 212 1 20LL1 212 1 2344mmmpmmmFkiL LiimFkiL LiirML2121ecc222ecc1m1010ML2121ecc()()/(8N)()xdm dqm qyqm ddm qFkkiik xkplrFkkiik y m（上海大

52、學(xué)上海大學(xué)Page 26無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（電磁轉(zhuǎn)矩模型電磁轉(zhuǎn)矩模型）n 無軸承永磁同步電動機(jī)由于轉(zhuǎn)子永磁體與懸浮控制繞組電流各自所產(chǎn)生磁場無軸承永磁同步電動機(jī)由于轉(zhuǎn)子永磁體與懸浮控制繞組電流各自所產(chǎn)生磁場的極對數(shù)不相等，懸浮控制繞組不會像鼠籠式無軸承異步電動機(jī)那樣在鼠籠的極對數(shù)不相等，懸浮控制繞組不會像鼠籠式無軸承異步電動機(jī)那樣在鼠籠轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出同極對數(shù)的電流分量。因而在不考慮氣隙偏心的時候，無軸承轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出同極對數(shù)的電流分量。因而在不考慮氣隙偏心的時候，無軸承永磁同步電動機(jī)的合成平均電磁轉(zhuǎn)矩只由轉(zhuǎn)矩控制繞組電流與轉(zhuǎn)子永磁體磁永磁同步電動機(jī)的合成平均電磁轉(zhuǎn)矩只由

53、轉(zhuǎn)矩控制繞組電流與轉(zhuǎn)子永磁體磁場相互作用產(chǎn)生。但無軸承電機(jī)在實(shí)際加工、安裝、運(yùn)行過程中總是存在偏場相互作用產(chǎn)生。但無軸承電機(jī)在實(shí)際加工、安裝、運(yùn)行過程中總是存在偏心，因此心，因此轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組之間存在大小隨轉(zhuǎn)子位移成正比變化轉(zhuǎn)矩控制繞組和懸浮控制繞組之間存在大小隨轉(zhuǎn)子位移成正比變化的互感的互感，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制和懸浮力控制存在耦合，此時的無軸承永磁同步電機(jī)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制和懸浮力控制存在耦合，此時的無軸承永磁同步電機(jī)合成電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)該包含懸浮控制繞組的作用。合成電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)該包含懸浮控制繞組的作用。n 在同步旋轉(zhuǎn)在同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系下考慮偏心時，表貼式永磁型無軸承同步電機(jī)坐標(biāo)系下考慮偏心時

54、，表貼式永磁型無軸承同步電機(jī)磁鏈方磁鏈方程程可寫為可寫為 111211110102222202022220120L0M-M0LMMLN /(4)MML0LN /(4)-MM0LMN N /(8)ddffqqddqqiixyiiyxlrixylriyxlrm m m 為永磁體等效勵磁電流n 電磁轉(zhuǎn)矩的解析模型一般應(yīng)用磁共能法來求取，將式電磁轉(zhuǎn)矩的解析模型一般應(yīng)用磁共能法來求取，將式(5)代入式代入式(6) TqdqfdqdqdmiiiiiW2211221121(5)(5)(6)(6)上海大學(xué)上海大學(xué)Page 27無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（電磁轉(zhuǎn)矩模型電磁轉(zhuǎn)矩模型）n 求出無

55、軸承永磁同步電機(jī)內(nèi)貯存的磁共能求出無軸承永磁同步電機(jī)內(nèi)貯存的磁共能 n 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理可知根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理可知n 式中第一項(xiàng)為永磁體等效勵磁電流與轉(zhuǎn)矩控制繞組力矩電流相互作用產(chǎn)生的，式中第一項(xiàng)為永磁體等效勵磁電流與轉(zhuǎn)矩控制繞組力矩電流相互作用產(chǎn)生的，與普通表貼式永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式相同；后三項(xiàng)體現(xiàn)了考慮偏心情況與普通表貼式永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式相同；后三項(xiàng)體現(xiàn)了考慮偏心情況時懸浮控制繞組對轉(zhuǎn)矩控制的影響，其中第二、三項(xiàng)是轉(zhuǎn)子偏心時由轉(zhuǎn)子永時懸浮控制繞組對轉(zhuǎn)矩控制的影響，其中第二、三項(xiàng)是轉(zhuǎn)子偏心時由轉(zhuǎn)子永磁體磁場與懸浮控制繞組電流相互作用產(chǎn)生的，第四項(xiàng)是兩套控制繞組電流磁體磁場與

56、懸浮控制繞組電流相互作用產(chǎn)生的，第四項(xiàng)是兩套控制繞組電流之間相互作用的結(jié)果，與轉(zhuǎn)子在中心位置上的位移有關(guān)。由于之間相互作用的結(jié)果，與轉(zhuǎn)子在中心位置上的位移有關(guān)。由于L1M，故，故懸懸浮控制繞組對電磁轉(zhuǎn)矩的影響較小浮控制繞組對電磁轉(zhuǎn)矩的影響較小，無軸承永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩主要由，無軸承永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩主要由第一項(xiàng)產(chǎn)生。第一項(xiàng)產(chǎn)生。22222111111222122121221211(2)L()L22()M()MmddffqdqddfdqqdqfqqdWii iiiiii ii ii ixi ii ii iy m,c11122221212121221112222112LMMM ()M ()

57、MMLMMMMex yfqfqfdqddqqqddqfqfqfddqdWTpi ipxi ipyi ix i ii iy i ii iixypi ipxi ipyi iiiiyxj 上海大學(xué)上海大學(xué)Page 28無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（無軸承永磁電機(jī)數(shù)學(xué)建模（系統(tǒng)動力學(xué)模型系統(tǒng)動力學(xué)模型）n 對于一個兩自由度懸浮的無軸承永磁同步電對于一個兩自由度懸浮的無軸承永磁同步電機(jī)剛性轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子受力分析如圖機(jī)剛性轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子受力分析如圖所示。設(shè)所示。設(shè)Fzx、Fzy為作用在轉(zhuǎn)子上的外激力，為作用在轉(zhuǎn)子上的外激力，TL為負(fù)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，載轉(zhuǎn)矩，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，xg、yg、zg為坐標(biāo)軸，為坐標(biāo)軸，O

58、g為轉(zhuǎn)子理想質(zhì)心。為轉(zhuǎn)子理想質(zhì)心。n 根據(jù)轉(zhuǎn)子動力學(xué)理根據(jù)轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論，系統(tǒng)的運(yùn)動方論，系統(tǒng)的運(yùn)動方程為程為( p1=p2+1 )n 由上述方程可以看出，無軸承永磁同步電機(jī)是一個多變量、強(qiáng)耦合的非線性由上述方程可以看出，無軸承永磁同步電機(jī)是一個多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。此時可以通過采用狀態(tài)反饋的逆系統(tǒng)解耦控制等方法將上述動力方程系統(tǒng)。此時可以通過采用狀態(tài)反饋的逆系統(tǒng)解耦控制等方法將上述動力方程進(jìn)行解耦線性化，然后利用線性系統(tǒng)理論對其進(jìn)行系統(tǒng)的綜合，并采用極點(diǎn)進(jìn)行解耦線性化，然后利用線性系統(tǒng)理論對其進(jìn)行系統(tǒng)的綜合，并采用極點(diǎn)配置方法對控制器進(jìn)行設(shè)計以獲得比較滿意的動靜態(tài)穩(wěn)定性能配置方法對控制

59、器進(jìn)行設(shè)計以獲得比較滿意的動靜態(tài)穩(wěn)定性能。ML2121eccML2121ecc121112222112()()()/MMLMMMMxzxyzyxdm dqm qyqm ddm qreLqefqfqfddqdmxFFmyFFFkkiikxFkkiikyJpTTixyTpi ipxi ipyi iiiiyxw （上海大學(xué)上海大學(xué)Page 29無軸承永磁電機(jī)及其控制無軸承永磁同步電機(jī)研究現(xiàn)狀無軸承永磁同步電機(jī)研究現(xiàn)狀無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理無軸承永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理無軸承永磁同步電機(jī)建模方法無軸承永磁同步電機(jī)建模方法無軸承永磁同步電機(jī)解耦控制策略無軸承永磁同步電機(jī)解耦控制策略無軸承永磁同步電機(jī)控制

60、系統(tǒng)無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)上海大學(xué)上海大學(xué)Page 30無軸承永磁電機(jī)控制技術(shù)無軸承永磁電機(jī)控制技術(shù)轉(zhuǎn)子磁場定向控制轉(zhuǎn)子磁場定向控制氣隙磁場定向控制氣隙磁場定向控制獨(dú)立控制獨(dú)立控制上海大學(xué)上海大學(xué)Page 31無軸承永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制無軸承永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制n 目前，國內(nèi)外永磁型無軸承電機(jī)的解耦控制目前，國內(nèi)外永磁型無軸承電機(jī)的解耦控制普遍采用普遍采用基于轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子磁場基于轉(zhuǎn)矩繞組轉(zhuǎn)子磁場定向控制的解耦控制算法。定向控制的解耦控制算法。n 由于永磁型無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組勵磁電流比轉(zhuǎn)子永磁體等效勵磁電流要小得由于永磁型無軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組勵磁電流比轉(zhuǎn)子永磁體等效勵磁電流要小得多，轉(zhuǎn)