高速高功率密度无轴承永磁薄片电机设计与优化

传统无轴承电机在高速和高功率密度之间难以取得平衡,为此围绕高速高功率密度无轴承永磁薄片电机,对其拓扑结构、绕组形式、主要尺寸等方面进行优化设计,在保证转速和功率密度的基础上有效地提升悬浮性能。通过对运行工况的分析,得出电机拓扑结构需具备的基本特点,提出一种采用环形集成绕组的表贴式无轴承永磁薄片电机。在兼顾转矩和悬浮力输出性能、机械防护可靠性的基础上,对电机的电磁气隙长度和永磁体参数等主要尺寸进行优化设计。针对电机饱和、绕组端部伸出等不利因素,分别采取了超前角弱磁、定子略长的性能提升策略,有效地避免了悬浮力的大幅度跌落。搭建20 000 r/min的无轴承永磁薄片电机有限元仿真模型并制造实物样机。通过对电磁转矩和主、被动悬浮力的分析,证明了本文设计的无轴承永磁薄片电机兼具良好的转矩与悬浮力输出性能,单位幅值电流产生的电磁转矩、主动悬浮力分别为0.166 N·m、4.4 N,电机输出功率10 kW、功率密度5.2 kW/kg。

单霍尔故障下无轴承永磁薄片电机径向位移容错检测

由于人工无轴承心脏泵要求微型化,所以心脏泵系统不能采用大体积的电涡流传感器来采集径向位移信息。基于霍尔测径向位移的无轴承永磁薄片电机采用霍尔同时辨识转角和径向位移,大幅降低系统体积。霍尔输出信号直接影响无轴承电机悬浮性能,当单个霍尔传感器故障时,由于缺失一相磁链导致电机失浮。为了提高基于霍尔测径向位移的无轴承永磁薄片电机容错能力,该文针对单霍尔传感器故障时角度和径向位移信息会重新耦合,难以高精度分离的问题,提出基于谐波补偿的霍尔磁链重构算法。首先,采用磁链重构思想,利用剩余非故障霍尔重构解算径向位移的一相磁链;然后,对上述重构磁链中不偏心3次谐波进行补偿,并构建霍尔矫正表求解径向位移;最后,搭建实验平台,通过仿真和实验验证了所提算法的准确性。

基于频域拟合的无轴承永磁薄片电机径向悬浮力建模分析

在无轴承永磁薄片电机系统中,永磁转子因失去轴承支承容易发生偏心位移,为控制转子在几何中心稳定悬浮,径向悬浮力精确建模是无轴承系统高性能可靠运行的关键基础。针对大气隙无轴承永磁薄片电机因转子偏心程度大而引起的径向悬浮力模型非线性误差问题,该文提出一种基于频域拟合的径向悬浮力精确建模方法,将非线性分量转化为相应函数补偿至径向悬浮力模型中,从而提高了模型精确度。首先,对推导一般径向悬浮力模型过程中出现的多个误差因素及其影响进行系统分析;在此基础上,提出频域拟合方法重构径向悬浮力模型,并分析其非线性特性;最后,将解析模型与有限元仿真所得到的可控径向悬浮力、偏心磁拉力进行深入对比分析,验证了该解析模型的正确性与精确性。

基于霍尔负序解调法的无轴承永磁薄片电机径向位移检测方法

传统的无轴承薄片电机系统由于存在位移传感器,难以满足心脏泵等医疗器械高精度、高集成的需求,已有基频位移自检测算法采用传统幅值解调法,对于低极对数电机难以实现两方向位移的解耦,同时需要低通滤波器滤除无效信号,存在延迟长以及误差大的缺陷;高频注入法利用的是电枢磁链之间的互感,并没有利用永磁体磁链,信噪比不高,难以实现稳定悬浮。基于此,该文提出基于霍尔负序解调法的位移检测方法,利用基频永磁磁链与检测霍尔的互感获取位移信息,通过特殊的负序正弦调制霍尔信号并求和的方式,直接解除转角在霍尔信号中的耦合,瞬时解算位移信息,位移解算精度高且无延迟,适用的转速范围宽。该文首先建立磁路模型,通过理论及仿真分析霍尔感应磁链和位移的关系;其次,给出负序解调法的详细数学推导过程并推广至其他极对数电机;最后,在平台上完成已有的两种位移检测算法与所提算法的实验,实验验证所提算法在宽速度范围内的有效性。

无轴承永磁薄片电机径向悬浮力精确数学建模

无轴承永磁薄片电机具有薄片转子的特殊结构,为了采取有效方法控制转子偏心位移、使转子稳定悬浮,研究的关键在于获得无轴承永磁薄片电机精确的径向悬浮力数学模型。在介绍无轴承永磁薄片电机的结构和工作原理基础上,对无轴承永磁薄片电机气隙磁场进行了详细分析,基于麦克斯韦应力张量法推导了其径向悬浮力数学模型,最后对比验证了利用有限元方法的计算结果和样机实验对数学模型的理论计算结果。验证结果表明,该方法建立的径向悬浮力数学模型误差小、精确度髙。

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。

动态扰动下无轴承永磁薄片电机的悬浮力补偿策略

传统的无轴承永磁薄片电机通过径向位移的闭环控制来间接实现悬浮力稳定控制,当薄片转子受到径向干扰时,悬浮力控制的精度和动态响应性能将受到限制。且悬浮力控制中所需的相位信息是需要在准确获得转子角度的基础上才能得到,因此增加了电机控制系统复杂性。为了克服以往悬浮力控制的上述不足,在推导了无轴承永磁薄片电机悬浮力变化量和悬浮力绕组磁链变化量之间关系的基础上,提出了径向悬浮力和径向位移的双闭环补偿控制策略,采用电压-电流模型对转矩绕组气隙磁链进行辨识,使得电机控制的灵活性大大增加。仿真和实验结果表明:所提出的悬浮力控制方法能够提高悬浮力控制精度和动态响应性能,系统抗干扰能力强,且具有良好的动、静态性能。

无轴承永磁薄片电机的新型单绕组结构及其精确控制

针对双绕组无轴承永磁薄片电机绕组间绝缘要求高、槽满率低、电机漏磁大等缺点,提出了一种新型单绕组无轴承永磁薄片电机(M-BPMSM)结构,在每相绕组端部通入转矩电流,同时在绕组中点处注入悬浮力电流,实现薄片转子的旋转和悬浮。阐述了M-BPMSM的悬浮力产生原理,推导了其径向悬浮力的精确数学模型。在该模型的基础上建立了一种悬浮力双闭环补偿控制策略,当电机负载变化导致悬浮力幅值和方向改变时,使用该策略可以对径向悬浮力进行补偿,实现悬浮力的精确控制。利用MATLAB软件构建了仿真系统,仿真结果表明:采用悬浮力双闭环补偿控制策略对M-BPMSM进行控制,径向悬浮力具有较高的控制精度和较快的响应速度,且具有良好的动、静态性能。

基于新型磁链观测器的无轴承永磁薄片电机直接控制

将直接转矩控制理论和方法应用于无轴承永磁薄片电机,并借鉴该思想,构建转子位移和径向悬浮力双闭环控制系统。同时,针对传统直接控制系统中,磁链观测精度低的弊端,引入一种基于锁相环原理的磁链观测器,用于改善电机低速运行时的性能。首先推导了无轴承永磁薄片电机转矩和径向悬浮力数学模型。其次,设计锁相环磁链观测器,并阐述直接控制实现算法,构建基于锁相环磁链观测的无轴承永磁薄片电机直接控制系统。运用Matlab/Simulink模块对控制系统进行仿真,仿真结果验证了数学模型和控制算法的正确性。最后,将该控制策略用于一台4kW样机。实验结果表明,与传统直接控制相比,所提出的直接控制策略不仅能有效提高转矩和悬浮力控制精度,同时具有良好的动、静态性能。

基于动态坐标系的无轴承永磁薄片电机悬浮力建模及控制

对无轴承永磁薄片电机(BPMSM)运行过程中产生的偏心位移,以最大偏心方向作为横坐标方向,建立转子偏心的动态坐标系。在该坐标系下采用麦克斯韦应力张量法建立径向悬浮力数学模型。在该模型基础上,提出一种针对转子偏心位移的直接控制策略,设计相应控制器;在MATLAB环境中对BPMSM进行了起动、阶跃响应等仿真试验,并进行了初步试验研究。仿真及试验结果表明采用这种方法进行建模和控制,电机转子能够稳定悬浮,电机具有良好的动、静态特性,验证了控制方法的有效性。

用于离心泵的双层转子结构无轴承永磁薄片电机

无轴承永磁薄片电机应用于离心泵,可实现离心泵的完全密封,让传统离心泵的密封难题得到解决。从空间利用率的角度,设计了一种具有新型双层转子结构的无轴承永磁薄片电机,减小了电机轴向长度,分析了该磁路及悬浮力产生原理,并推导了数学模型。用软件构建了模型并进行了有限元分析,结果证明电机具有良好的工作性能,该结构设计可行。

无轴承永磁薄片电机不同转子结构的对比研究

转子结构影响电机的气隙磁通密度,从而影响无轴承永磁薄片电机可控性、转矩脉动以及径向悬浮力等性能。本文从无轴承永磁薄片电机不同的永磁转子结构(表贴式、表面嵌入式、Halbach阵列以及平行充磁环形转子)出发,对其机械强度、磁场分布等进行对比分析。基于麦克斯韦张量法提出了无轴承永磁薄片电机在任意极对数下的数学模型,运用Ansoft对其计算精度进行验证分析,并对具有不同永磁转子结构的无轴承永磁薄片电机径向悬浮力与悬浮力绕组电流之间的关系进行对比分析,得到不同永磁转子结构的优缺点。样机试验验证了仿真结果的正确性,研究结果对无轴承永磁薄片电机转子的参数优化设计具有参考价值。

无轴承永磁薄片电机功率驱动系统设计与实现

无轴承永磁薄片电机具有磁轴承和永磁同步电机的优点,具有重要的研究意义和广阔的使用前景。综合考虑无轴承永磁薄片电机径向悬浮力产生的各种因素,导出了径向悬浮力和转矩数学模型,采用转子磁场定向控制策略,设计了无轴承永磁薄片电机解耦控制系统。基于带电流内环控制的电压源型PWM功率驱动电路原理,开发了相应的硬件控制系统。研究结果表明:采用该驱动电路与DSP控制电路板相结合,应用转子磁场定向控制策略,可以实现无轴承永磁薄片电机转矩和径向悬浮力之间解耦控制,使无轴承永磁薄片电机稳定运行。

高速无轴承永磁薄片电机参数优化及损耗分析

研究了一种五相无槽的高速无轴承永磁薄片电机拓扑结构,并分析了其结构特点和运行原理。利用有限元方法分析比较了永磁体充磁方式、厚度、气隙长度等参数对电机性能的影响,降低了气隙磁密总谐波系数,减小了转矩脉动,提高了电机悬浮性能。基于传统电机的损耗研究,仿真分析了高速无轴承永磁薄片电机的损耗分布和输出转矩,得到了电机的输出效率为81.67%。

无轴承永磁薄片电机径向悬浮力研究

无轴承永磁薄片电机悬浮力数学模型的精确与否直接影响其稳定悬浮运行的性能,因此,建立精确的悬浮力数学模型,是实现其高精度运行控制的前提条件。论文在介绍无轴承永磁薄片电机转子悬浮原理的基础上,推导了转矩绕组和悬浮力绕组在两相静止和两相旋转坐标系下的精确电感模型,并利用此精确电感模型在计及转子偏心的条件下建立了无轴承永磁薄片电机较为完整的径向悬浮力数学模型,最后设计了相应的数字控制系统进行实验研究。实验结果表明:该方法建立的控制系统悬浮力控制精度高,抗干扰能力强,系统具有良好的动、静态性能。

基于BP神经网络左逆的无轴承永磁薄片电机无速度传感器控制研究

在无轴承永磁薄片电机的稳定运行中,实时精确地检测转子速度起着关键性的作用,一般的是使用相关的传感器检测转子速度,但是传统的速度传感器增大了电机的体积、提高了系统的成本,降低了电机在高速运行情况下的可靠性。因此本文提出一种基于神经网络左逆的速度检测方法。基于神经网络原理和左逆原理,设计出速度观测器实现对转速的观测。构建出无轴承永磁薄片电机无速度传感器控制系统,对所提出的速度检测方法进行了仿真和实验研究。结果表明,该方法可以快速准确地识别转速大小,实现无速度传感器下电机的稳定悬浮运行。

无轴承永磁薄片电机综述

无轴承永磁薄片电机由于永磁转子的特殊性,不仅具有无轴承电机的优点而且可以实现3个自由度(1个轴向自由度和2个扭转自由度)的被动悬浮,使得控制系统更加简单。在论述无轴承永磁薄片电机被动悬浮和径向主动悬浮机理的基础上,对无轴承永磁薄片电机的电机结构、控制策略、传感器检测技术等方面的国内外研究现状以及未来的发展趋势进行了归纳与总结。

无轴承永磁薄片电机的无位置传感运行

为了克服有传感器成本高、精度低、不易安装等不足,提出了采用扩展卡尔曼滤波器(EKF)实现电机无位置传感运行的控制策略。在介绍无轴承永磁薄片电机(BPMSM)悬浮原理的基础上,得到电机状态方程,并建立了EKF位置估计离散算法。设计了BPMSM无位置传感控制系统,在MATLAB/Simulink环境下构建系统仿真模型,并对转子位置辨识精度、电机的动态特性进行了仿真研究。仿真结果表明:EKF的转子位置辨识精度较高,能够实现电机无位置传感器的稳定悬浮运行。

基于磁链辨识的无轴承薄片电机轴向振动抑制策略

为了进一步提高BPMSM的悬浮性能,提出了一种基于磁链辨识的BPMSM轴向振动抑制策略,通过转子磁链的变化来估测转子轴向偏移量,然后将轴向偏移量转化为d轴电流分量参考值i_d~*,通过对i_d~*的调节来改善薄片转子的轴向恢复力,实现对轴向振动的有效抑制,从而有效改善电机的悬浮性能。试验结果表明:所提出的轴向振动抑制策略能够对薄片转子轴向振动进行有效抑制,提高系统的抗干扰能力,系统的运行性能得到了有效改善。

基于精确电感模型的BPMSM无位置传感器控制

无轴承永磁薄片电机是一种具有广泛应用前景的无轴承电机,为了保证电机可靠运行、薄片转子稳定悬浮,研究的关键在于准确检测转子位置。为克服传感器成本高、难以实现高速化的问题,提出了一种基于无轴承永磁薄片电机电感矩阵推算转子位置的方法。首先介绍了无轴承薄片电机薄片转子的悬浮原理,在推导无传感器相关公式的基础上,构建了无轴承永磁薄片电机无传感器运行的矢量控制系统仿真模型及数字控制系统试验平台,并进行了仿真研究和试验。结果表明,该自检测方法可以准确获取薄片电机转子的位置信息,确保薄片电机无位置传感器控制系统的稳定运行。