无轴承永磁同步电机优化设计与转子不平衡补偿研究

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1、江苏大学硕士学位论文摘要无轴承电机以其无摩擦、无磨损、无需润滑和密封等一系列优良特性，在能源交通、航空航天及机器人等高科技领域具有广阔的应用前景。与磁轴承支承的电机相比，无轴承电机具有一些独特的优点，1)径向力绕组叠压到电机的定子绕组上，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；与磁轴承电机相比，在转轴长度一定的情况下，电机的输出功率得到大幅度的提高。2)电机的结构更趋简单，维修方便，特别是电能消耗减少。传统的磁轴承需要静态偏置电流产生电磁力来维持转子稳定悬浮，而无轴承电机的径

2、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很小。因此，开展无轴承电机的研究，对推动无轴承电机应用于生物医学、机器人、航空航天等高科技领域，提高我国经济实力，具有重要的现实意义。本文的工作主要是采用有限元分析方法对无轴承永磁同步电机的内部磁场进行分析，计算其径向力与转矩，并对转子的质量不平衡进行补偿控制研究，利用Matlab进行了仿真分析。首先，在介绍无轴承电机工作原理和径向力产生机理的基础上，推导出无轴承永磁同步电机的数学模型。接着，对无轴承永磁同步电机的定子、转子、永磁体、气隙进行了设计，用有

3、限元分析软件ANSYS建立分析模型，对无轴承电机的运行原理进行了验证，计算了径向力与径向力绕组电流之间的关系，以及转矩与径向力绕组电流、转矩绕组电流之间的关系，验证了等效电流公式的准确性，并对永磁体厚度进行了优化；然后，再对存在质量不平衡的无轴承电机转子进行了补偿控制，基于前馈法设计了补偿控制器，采用Matlab／simulink工具箱对之进行仿真，最后，在无轴承永磁同步电机数字控制系统的基础上实现了对转子质量不平衡的位移最小控制。研究结果表明，该方法能够提高转子的旋转精度。关键词：无轴承永磁同步电机，质

4、量不平衡，无轴承电机，振动控制，有限元，ANSYS本文得到国家自然科学基金资助(50275067)。江苏大学硕士学位论文AbstractBearinglessmotorshavewidelyapplicationforegroundinhightechnicalfieldlikeenergyresource，astronauticsandrobots，basedonsomemerits，suchasnocontact，nolubrication，noweal'etc．Comparedtothemotorw

5、ithmagneticbearings，bearinglessmotorshavesomespecialmerits．First，radialforcewindingsarewoundtogetherwithconventionalmotorwindingsintothemotor’sstatorslots．Sothespindledoesn’toccupancyradialspaces，radiallengthofthemotorCanbedesignedshorter．Whentheradiallen

6、gthisthesame，outputpowerofbearinglessmotorsarebiggerthantheseofmotorswithmagneticbearings．Second，thestructureofthemotoriSsimplerandmaintainedconveniently．Especiallythepowerconsumeisreduced．Traditionalmagneticbeatingsneedexcitingcurrentproducingelectromagn

7、eticforcestomaintainspindlesuspension．Butradialforcesofbearinglessmotorsareproducedbasedontherotationalmagneticfield．Thepowerwastageofradialforcesofcontrolsystemisnothalf．Soithasgreatsignificancetostudythebearinglessmotorsforimprovingnationaldefensestreng

8、thandwemayoffersometechnologyinthefuturetousetheminbiomedicine，robots，astronautics，etC．ThedissertationaredevotedtoanalyzingthemagneticfieldofbearinglessPMSM，calculatingthemotor’Sradialforcesandtorque，researchingthem