无轴承同步磁阻电机系统及其关键技术发展综述

无轴承同步磁阻电机除了具有一般无轴承电机的优点外,还具有结构简单、成本低、损耗小以及易于实现高速运行等优势,在真空、高速、高精等工业领域具有广阔的应用前景。该文首先介绍了无轴承同步磁阻电机的转矩与悬浮力产生原理,然后针对国内外无轴承同步磁阻电机已开展的研究工作,从电机样机优化设计和控制系统研究两方面进行综述,最后根据无轴承电机高转速、高精度和低成本的发展方向,展望了无轴承同步磁阻电机未来研究的发展趋势。

基于最小二乘支持向量机逆系统的五自由度无轴承同步磁阻电机解耦控制

针对三自由度交直流混合磁轴承和二自由度无轴承同步磁阻电机构成的五自由度无轴承同步磁阻电机,实现磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、二自由度无轴承同步磁阻电机的径向悬浮力和电磁转矩的解耦控制是五自由度无轴承同步磁阻电机稳定运行和精确控制的必要条件。该文在介绍五自由度无轴承同步磁阻电机基本结构的基础上,建立了三自由度交直流混合磁轴承和二自由度无轴承同步磁阻电机的数学模型,进而建立了五自由度无轴承同步磁阻电机的状态方程,并进行了可逆性分析。采用最小二乘支持向量机所具有的小样本逼近和辨识拟合能力,得到五自由度无轴承同步磁阻电机逆模型,根据逆系统方法的基本原理,将复杂的原非线性多变量耦合系统解耦成多个单输入单输出伪线性系统,并设计了闭环PID控制器。仿真和实验表明,电机具有良好的速度和悬浮特性,这种解耦方法能够实现五自由度无轴承同步各个被控量之间的动态解耦,并且系统具有良好的动静态性能。

基于前馈补偿器的无轴承同步磁阻电机解耦控制

建立了无轴承同步磁阻电机径向悬浮力及转矩部分的数学模型,其电磁转矩和径向悬浮力之间以及径向悬浮力自身在两轴方向上存在相互耦合.针对无轴承同步磁阻电机的强耦合、非线性特性,采用磁场定向控制难以直接进行解耦控制,采用基于前馈补偿器的解耦控制策略,成功解除了上述变量间的耦合关系.采用前馈补偿解耦得到的控制系统结构简单,实现方便.仿真研究表明,该解耦方法可实现无轴承同步磁阻电机稳定悬浮运行,能实现上述变量间的完全动态解耦,同时电机具有较好的转矩和调速性能.

无轴承同步磁阻电机逆系统的解耦控制

为了有效解决无轴承同步磁阻电机这一非线性、强耦合的多输入多输出系统的动态解耦问题,提出了基于α阶逆系统理论的无轴承同步磁阻电机解耦控制策略.本文在阐述了无轴承同步磁阻电机径向悬浮力产生机理的基础上,推导出其数学模型,采用α阶逆系统方法将原系统解耦并线性化为一个一阶线性积分子系统和两个二阶线性积分子系统,并应用线性系统理论设计了闭环控制器.最后采用MATLAB软件环境构建了仿真系统,针对系统的阶跃响应、转子起浮、解耦性能等进行了仿真和分析.仿真试验表明这种解耦控制策略能够实现无轴承同步磁阻电机电磁转矩与径向悬浮力之间的动态解耦.并且系统具有良好的动、静态性能.

永磁辅助无轴承同步磁阻电机优化及电磁分析

针对无轴承同步磁阻电机(BSynRM)功率因数和转矩密度都较低的缺陷,采用转子附加永磁体的永磁辅助无轴承同步磁阻电机(PMa-BSynRM)。首先介绍具有三层磁障转子的PMa-BSynRM的结构,在详尽阐述电机工作原理的基础上,数学模型由Maxwell张量法推导得出;其次以控制变量法为准则,开展对样机结构选型及参数设计的工作;然后利用有限元软件对PMa-BSynRM的电磁性能计算分析;最后搭建样机实验平台。仿真和实验结果验证了所设计的PMa-BSynRM对提高传统BSynRM的功率因数和转矩密度具有可行性与有效性。

无轴承同步磁阻电动机径向力有限元分析

介绍了无轴承同步磁阻电动机径向悬浮力产生原理,给出其径向力数学模型,采用有限元法对电动机的磁场分布以及径向力和绕组电流之间的非线性关系进行分析与计算,研究磁饱和对径向力特性的影响,为无轴承同步磁阻电动机优化设计与有效控制提供了一些思路。

无轴承同步磁阻电机的悬浮系统控制策略

传统无轴承同步磁阻电机悬浮系统控制方案的前提都是获取转矩绕组和悬浮绕组的电流,没有考虑转矩绕组气隙磁链影响,影响悬浮系统控制精度。重新建立了基于转矩绕组磁链的无轴承同步磁阻电机悬浮力方程,采用电压-电流模型法观测转矩绕组气隙磁链,设计了新型滤波环节,实现了基于转矩绕组磁链观测的无轴承同步磁阻电机悬浮系统独立控制。对样机控制系统进行了仿真和实验研究,仿真和实验结果表明该控制方法使悬浮系统具有良好的动、静态性能。

无轴承同步磁阻电机解耦集成控制策略

无轴承同步磁阻电机是一个复杂的强耦合非线性系统,解除电机径向力和转矩之间以及径向力分量之间的耦合关系是其稳定悬浮的前提,在给出转子悬浮原理基础上,推导了电机完整的数学模型,提出基于电机实际参数的反馈解耦策略,实现了负载条件下无轴承同步磁阻电机多变量解耦集成控制。仿真结果表明该解耦方法能实现电机稳定悬浮运行,可获得优良的解耦效果,同时电机具有良好的动、静态性能。

基于MRAS的无轴承同步磁阻电机无位移传感器控制

无轴承同步磁阻电机的悬浮运行需要实时检测转子径向位移,通常在电机内部安装机械位移传感器,该方法存在安装调试复杂、电机体积增大、系统可靠性降低、成本增加等问题。针对上述问题,将模型参考自适应转子位移估计方法应用到电机无位移传感器控制中。基于无轴承同步磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组电流状态方程,建立了电机电流参考模型和可调模型,选取合适的自适应律对两个模型的输出误差进行调节,辨识出电机转子径向位移。研究结果表明,模型参考自适应法能有效跟踪电机转子位移变化,估算精度较高,系统动、静态性能良好。

无轴承同步磁阻电机设计及有限元分析

针对无轴承同步磁阻电机中转矩绕组和径向悬浮力绕组设计的特殊性,提出了传统电机定子绕组的二分法.基于无轴承同步磁阻电机径向悬浮力产生原理,推导出径向悬浮力数学模型.采用二分法设计了功率为0.5 kW,转矩绕组极对数PM=2,径向悬浮力绕组极对数PB=1的无轴承同步磁阻电机试验样机.用ANSYS模拟了无轴承同步磁阻电机的磁场分布,确定径向悬浮力和定子转矩绕组及悬浮力绕组电流之间的关系,并得出电机气隙长度和磁场饱和对径向悬浮力的影响规律.结果表明:采用二分法设计的样机,当电机转矩绕组电流和径向悬浮力绕组电流为额定电流2.7 A,电机气隙为0.35 mm,转子径向悬浮力为200 N,能够实现转子悬浮.

无轴承同步磁阻电机原理及关键技术

概述了无轴承同步磁阻电机的特点和发展现状,介绍了它的工作原理,推导了径向悬浮力数学方程,讨论了控制系统的基本结构,阐述了研究过程中的关键技术问题。

高频信号注入的无轴承同步磁阻电机转子位移检测方法

无轴承同步磁阻电机转子位移一般需由机械式位移传感器检测获取,但安装位移传感器会带来电机结构复杂、轴向长度增大等缺陷,故需新的转子位移检测方法。分析了电机转子偏心下悬浮绕组电感和转子位移之间线性关系,通过在悬浮绕组注入高频信号,检测其感生出的差分电压,经信号处理,可提取差分电压中的转子位移信号,实现了被控电机转子位移准确观测。仿真证实,此方法检测精度较高,能实现电机的稳定悬浮运行。

五自由度无轴承同步磁阻电机逆系统解耦控制

在阐述二自由度无轴承同步磁阻电机和三自由度混合磁轴承工作原理基础上,推导出五自由度无轴承同步磁阻电机状态方程,采用逆系统方法将五自由度无轴承同步磁阻电机这一非线性、强耦合的多输入多输出系统解耦并线性化为伪线性系统,并应用线性系统理论设计闭环控制器,最后采用Matlab软件环境构建了仿真系统,对转子起浮特性及解耦性能进行了仿真。仿真结果表明:这种解耦控制策略能够实现五自由度无轴承同步磁阻电机各个被控量之间的动态解耦,并且系统具有良好的动、静态性能。

基于高频注入法的无轴承同步磁阻电动机径向位移自检测技术

为减少无轴承同步磁阻电动机的传感器成本,提高其实用性,提出了一种基于高频注入法的无径向位移自检测方法。通过在无轴承同步磁阻电动机转矩绕组中注入脉动高频电压信号,利用电机空间凸极效应及其转矩绕组和悬浮力绕组之间的互感,实现对转子径向位移的有效预测。采用MATLAB仿真软件构建了仿真系统,仿真试验表明该自检测方法能实现对无轴承同步磁阻电动机转子径向位移准确预测,并能实现无传感器方式的稳定悬浮运行。

基于高频注入法的无轴承同步磁阻电机无速度传感器研究

为减少无轴承同步磁阻电机的成本,提高其实用性,提出了一种基于高频注入法的无传感自检测技术,通过在转矩绕组注入脉动高平电压信号,利用电机空间凸极效应及,实现对转子速度的有效预测。利用Matlab仿真软件构建了仿真系统,仿真结果表明该自检测方法能实现对转子的位置/速度准确预测,并能实现无传感器方式的稳定悬浮运行。

无轴承同步磁阻电动机解耦控制策略综述

针对无轴承同步磁阻电动机电磁转矩和径向悬浮力之间存在的强耦合问题,对各种解耦控制方法进行了分析研究.介绍了无轴承同步磁阻电动机的转子悬浮原理和数学模型,总结了国内外无轴承同步磁阻电动机的解耦控制策略,分析了前馈和反馈补偿控制、逆系统控制、神经网络逆控制、支持向量机逆控制、微分几何精确线性化控制、转矩和悬浮力直接控制等解耦控制策略的原理、性能和局限性,讨论了这些控制策略的发展方向.根据无轴承同步磁阻电动机的特点,指出无轴承同步磁阻电动机的未来研究方向:建立考虑磁饱和因素的精确数学模型、电动机参数在线辨识、采用智能控制增加系统的抗干扰能力、解耦控制器的参数优化设计、采用非线性控制理论直接控制非线性系统的策略等.

基于改进电压模型的无轴承同步磁阻电机转子位移估计方法

为缩短无轴承同步磁阻电机轴向长度,降低包含位移传感器在内的系统总成本,拓宽无轴承同步磁阻电机的应用领域,需去除电机的转子径向位移传感器。采用改进电压模型的反电动势积分方法对电机悬浮绕组磁链进行观测,进而设计转子位移估计器,建立了电机的无位移传感器控制系统。仿真和实验结果表明该方法能有效估计转子位移,可实现转矩扰动时无轴承同步磁阻电机的稳定悬浮运行。

无轴承同步磁阻电机高频信号注入法无位移传感器控制

为降低无轴承同步磁阻电机系统总成本,缩短电机轴向长度,需去除电机的转子位移传感器。本文提出了一种基于高频信号注入法的电机转子位移估算方法,通过在电机转矩绕组注入脉动高频电压信号,从悬浮绕组提取高频感应电流来估计转子位移,从而设计转子位移估算器,建立了电机的无位移传感器控制系统。仿真结果表明高频信号注入法能有效估计转子位移,可实现转矩扰动时全速范围内电机的稳定悬浮运行。

两种不同转子结构的永磁无轴承同步磁阻电机性能分析

为了研究不同永磁体添加位置以及充磁方式对永磁辅助式无轴承同步磁阻电机(permanent magnet assisted bearingless synchronous reluctance motor,PMa-BSynRM)性能的影响,设计了两种不同转子结构的PMa-BSynRM,并对它们的性能(转矩和悬浮力性能、热性能和振动特性)进行了评价和比较。首先介绍了PMa-BSynRM的基本结构和工作原理,推导了数学模型。然后,利用有限元软件对两种PMa-BSynRM的电磁特性分析,热分析和振动分析结果进行对比,并选取了性能较好的转子结构。最后,搭建了PMa-BSynRM实验平台进行了实验研究。研究结果表明,在q轴方向添加永磁体切向充磁的PMa-BSynRM的各项性能均得到提升,其中,电机的转矩脉动和悬浮力脉动分别降低了24.8%和51.23%,平均转矩提高了21.88%。

无轴承同步磁阻电动机悬浮系统模糊PID控制

无轴承同步磁阻电动机悬浮系统是一个复杂的非线性系统,难以建立精确的数学模型,普通PID控制很难取得良好的控制效果。设计了模糊PID控制器,它结合了模糊控制和PID控制的各自优势。仿真结果表明模糊PID控制器性能优于普通PID控制器,悬浮系统具有优良的动、静特性。