永磁型无轴承电机控制系统设计论文_学位论文.doc

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1、XX学院毕业设计说明书课题：永磁型无轴承电机控制系统设计子课题:同课题学生姓名:专业学生姓名班级学号指导教师完成日期32目录1绪论11.1无轴承电机概述21.2无轴承电机研究现状41.3无轴承电机的应用领域51.4电磁场有限元分析方法的发展51.5本课题在我国的研究意义62无轴承永磁同步电机基本理论72.1无轴承永磁同步电机工作原理82.2无轴承永磁同步电机径向力产生原理及数学模型102.2.1无轴承永磁同步电机径向力产生原理102.2.2无轴承永磁同步电机数学模型102.3无轴承永磁同步电机控制系统1

2、23无轴承永磁同步电机有限元分析133.1定子绕组设计143.2永磁体设计163.2.1永磁材料选择原则和注意事项163.2.2稀土永磁材料主要性能参数163.3径向力、转矩与永磁体厚度的关系193.3.1气隙磁通密度203.3.2电机转矩223.4无轴承永磁电机电磁场有限元法223.5无轴承永磁同步电机总体参数设计233.6基于ANSYS的无轴承永磁电机有限元分析243.6.1ANSYS求解过程243.6.2无轴承永磁同步电机有限元分析264控制系统MATLAB仿真28致谢32参考文献33321绪论1

3、.1无轴承电机概述图1.1磁轴承支承电机结构示意图传统电力拖动系统中，电机的转子是用两个机械轴承来支承，因此转子在运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加了转子的摩擦阻力，使轴承磨损，降低轴承寿命，产生机械振动和噪声，而且会造成部件发热，使润滑剂性能变差，严重时会造成电机气隙不均匀，绕组发热，温升增大，从而降低电机的效率，缩短电机的使用寿命，特别是在高速数控机床、涡轮分子泵、飞轮储能等设备中需要用大功率的高速或超高速电机来驱动。用机械轴承来支承高速电机时，电机高速旋转对机械轴承振动冲击更大，轴承磨损更快

4、，大幅度缩短了轴承和电机的使用寿命，为此用机械轴承来支承高速电机严重制约着电机向更高速度和更大功率方向发展。为了克服机械轴承的性能不足，近三十年多年发展起来的磁轴承（MagneticBearings），利用磁场力实现转子悬浮，使转子和定子之间没有任何机械接触的一种高性能轴承。由于磁轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长等一系列优点，从根本上改变了传统的支承形式，在能源交通、机械工业、航空航天及机器人等高科技领域得到了应用。一个完整的磁轴承系统由转子、传感器、控制器、功率放大器和电

5、磁铁组成。图1.1所示的是磁轴承支承的电机结构示意图，由电机本体、两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承组成，能够在转子的5个自由度上施加控制力，从而实现转子完全悬浮。磁轴承支承的电机系统虽然具有以上一些特出的优点，但依然存在不足之处：1）电机的输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率，电机的轴向长度和径向尺寸必须随之加大。由于磁轴承在轴向和径向都占有很大一部分体积，又为了在高速时能避开转子的临界转速，只能尽量控制电机本身的轴向长度，这样就导致电机功率的提高比较困难。2）磁轴承控制系统需要高品质的控制器和

6、多个价格较高的位移传感器，这样就导致磁轴承的结构较为复杂、体积较大和成本较高，大大影响了磁轴承电机的使用范围和广泛应用。32图1.2无轴承电机的结构示意图无轴承电机是根据磁轴承结构与交流电机定子结构的相似性，将磁轴承中产生径向力的绕组和电机的定子绕组按照一定的顺序叠压在定子槽中，使径向力绕组产生的磁场与电机的旋转磁场合成一个整体，通过对转矩和悬浮力的解耦控制，就能够实现独立控制电机的旋转和转子的稳定悬浮。无轴承电机结构如图1.2所示，在无轴承电机系统中，需要两个无轴承电机单元和一个轴向磁轴承，实现在5个

7、自由度上控制电机的旋转与转子的悬浮。无轴承电机保持了磁轴承支承的电机寿命长、无摩擦、无磨损、无需润滑等优点外，还能实现高速度和大功率运行，与磁轴承支承的电机相比具有下列优点：1）径向力绕组叠压到交流电机的定子绕组上，不占用额外的轴向空间，电机轴向长度可以设计的较短，临界转速可以非常高，这时电机转速只受转子材料强度的限制。这样无轴承电机拓宽了高速电机的应用范围；与磁轴承支承的电机相比：1）在转轴长度一定的情况下，电机的输出功率可以大幅度的提高。2）电机的结构更趋简单，维修方便，特别是电能消耗减少。传统的磁

8、轴承需要静态偏置电流产生电磁力来维持转子稳定悬浮，无轴承电机的径向力是基于电机的旋转磁场而产生，径向力控制系统的功耗，只占电机功耗的2％～5％，基于这些优良品质，使得无轴承电机的应用领域非常广泛，对提高机械工业制造水平，特别是在航空航天领域、医疗卫生行业具有重要的现实意义，其研究受到科研工作者的广泛重视。无轴承电机的定子槽中有一套用于产生转子悬浮力的径向力绕组，因此无轴承电机能够实现对转子的无接触支承，电机不再需要安装在左右两侧的磁轴承（或