无轴承永磁同步电动机的原理及实现
无轴承永磁同步电机研究现状与发展趋势
Ｚ ｅｊ ｎ １０ ３ ｈｎ ） ｈｎｉ ｇ２ ２ １ ，Ｃ ｉａ ａ
Ａｂｔａｔ ｅｒ ｇｅｓ ｅ ａｅ ｔ ｇｅ ｓｎ ｈｏ ｏｓｍ ｔ Ｐ Ｍ） ｉ ａｈｇ ｅｆ ｍａｃ ＭＳ ｓ ｃ：Ａ ｂａｉ ｌ ｒ ｎ ｎ ｍａｎ ｔ ｙｃ ｒｎｕ ｏｏ ｒ ｎ ｓ ｐｍ ｒ（ ＭＳ ｓ ｉｈｐｒ ｒ ｎ ｅＰ Ｍ ｏ
微 电机
无 轴 承 永 磁 同步 电机 研 究 现 状 与 发 展 趋 势
成秋 良，朱烷秋 ，王成 波 ，王海涛
（ 江苏大学 电气信息工程学院 ，镇江 ２ ２ １ ） １０ ３
摘
要 ：无轴承永磁 同步电机同时具备永磁 同步电机的优 良特性与磁悬浮轴承 的特点。分析 了国内外
无轴承永磁 同步 电机研 究现状 ，指 出其发展规律 ；总结 了目前 国内外无轴承永磁 同步 电机结构与控制 策略方面的研 究成果 ，为其结构改进 与控制优化提供 参考 ；分析 了无轴承永磁 同步电机发展趋势 ，为
ａ ｏ ｔｎ ｅ ｒｎ ｌ ｓ ｅ ｈ ｏｏ ｙ， ａ ａ ｈ ｘ ｅｌｎ ｈ ｒ ｃ ｅ ｓｉｓ ｏ ＭＳ ａ ｄ ｔ ｅ ｆａｕ ｅ ｆｍａ － ｄ ｐ ｉ ｇ ｂ ａ ｇｅ ｓｔｃ ｎ ｌ ｇ ｉ ｎｄ ｈ ｓｔ ｅ ｅ ｃ ｌｅ ｔｃ ａ ａ ｔｒ ｔｃ ｆＰ Ｍ ｎ ｈ ｅ ｔｒ ｓ ｏ ｇ ｉ ｎ ｔｃ ｂ ａ ｎ ． Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｍｅｈ ｄ ｏ ｏ ｕ ｎ ｔｔｓｉｓ， ａ ａｙ ｅ ｎ ｅ ｎ ｔ ｎ ｌａ ｄ ｄｏ ｓｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｅｉ ｅ ｒ ｇ ｉ ｓ ｄ ｏ ｈ ｔ ｏ ｆｄ ｃ ｍｅ ｔｓａｉｔｃ ｎ ｌｚ ｄ ｉｔ ｒ ａｉ ａ ｎ ｍｅ ｔｃ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ
对 Ｉ Ｅ ／Ｅ ｌｃ ｏ ｉ Ｌｂａ （ Ｅ ） 据 库 ， Ｅ Ｅ ＩＥ Ｅｅｔ ｎｃ ｉ ｒ Ｉ Ｌ 数 ｒ ｒｙ ２０ （ 括 ２０ ０ ７年 包 ０ ７年 ） 之前 的检索结 果进 行 了统计
单相交流永磁同步电机工作原理及结构
单相交流永磁同步电机工作原理及结构
单相交流永磁同步电机是一种利用单相交流电源驱动，通过永磁体和交流电源的磁场作用实现转子转动的电机。
工作原理：
1. 永磁体磁场产生：单相交流永磁同步电机的永磁体通常采用稀土永磁材料，如钕铁硼磁铁。
永磁体通过磁化工艺形成一个稳定的磁场，产生的磁场不受外部电源的影响。
2. 驱动电源提供旋转磁场：单相交流电源通过特殊的电路将输入电压分成两个90度相位差的信号，一个信号用于驱动电机的发动机（即线圈），另一个信号与永磁体磁场产生的磁场之间产生相对转位的磁场。
这样就形成了一个旋转磁场，作用于电机的转子。
3. 磁场作用于转子：由于电机的转子上装有永磁体，当旋转磁场作用于转子时，转子受到电磁力的作用，开始旋转。
结构：
单相交流永磁同步电机由永磁体、转子、定子、定子线圈和电机外壳组成。
1. 永磁体：永磁体通常采用钕铁硼等稀土磁材料，产生一个稳定的磁场。
2. 转子：转子是电机的旋转部分，通常由永磁体和轴承组成。
当旋转磁场作用于转子时，转子会受到电磁力的作用，开始转动。
3. 定子：定子是电机的静止部分，通常由定子铁心和定子线圈组成。
定子线圈根据特定的绕组方式连接到电源，产生的磁场与转子磁场相互作用，实现转矩的传递。
4. 电机外壳：电机外壳是保护电机内部部件的外部结构，同时也可以起到散热和隔离的作用。
以上就是单相交流永磁同步电机的工作原理及结构。
它具有结构简单、体积小、效率高、输出功率稳定等特点，在家电、办公设备、工业自动化等领域得到广泛应用。
无轴承电机研究回顾_应用现状与技术基础
无轴承电机研究回顾、应用现状与技术基础收稿日期:2009212231基金项目:南京信息职业技术学院科研项目(07-001)张汉年1,刘合祥2(1.南京信息职业技术学院电子信息学院,南京 210046;2.东南大学电气工程学院,南京 210096)摘 要:概述了无轴承电机的优点,总结了无轴承电机的几种基本结构,详细介绍其研究进程。
综述了无轴承电机的应用现状,重点论述了其在生物工程、半导体工业、食品化工以及飞轮储能等领域的应用概况。
最后总结了无轴承电机及其驱动控制的相关技术基础。
关键词:无轴承电机;研究;应用;技术基础中图分类号:T M 35919 文献标志码:A 文章编号:100126848(2010)0720081204R esearch R eview ,App lica tions Sta tus and T echnology Bases of B ea r i n glessM otorsZ HA NG H an 2n i a n 1,LI U H e 2xiang2(1.Sc hool of E lectronic a nd Infor ma tion,Na njing Colle ge of Infor ma tion te chnology ,N anjing 210046,China;2.Sc hool o f E lectric a l Eng i n eering,Southe a st Unive rsit y ,Nanjing 210096,China )Abstr act :The advantages and the basic str uctures of beari n glessmotors were summarized ,moreover ,pres 2ented the deve lopments of research i n deta i.l I n add ition ,the applicati o n fields of bear i n gless motors were discussed,such as b i o logic engi n eer i n g ,se m iconductor industri e s ,f ood che m ical engi n eering ,fly whee l ener gy storage ,and so on .I n the end ,so me re lated technologies of beari n gless motor drives were over 2vie wed .K ey W ords :Bearingless motors ;Research ;Applications ;Technol o gy bases0 引 言20世纪中期以来,在离心机、高速机床等众多场合迫切需要高速及超高速的电力传动。
交流永磁电机工作原理
交流永磁电机工作原理
永磁电机是一种利用永磁材料产生的磁场与电流相互作用来实现机械能转换的电动机。
它的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：
1. 磁场形成：在永磁电机的定子上，通过将直流电流通入定子绕组，产生一个稳定的磁场。
这个磁场是由永磁材料提供的，因此它可以长时间保持不变。
2. 磁场感应：永磁电机的转子安装有绕组，当定子磁场与转子绕组产生磁场感应时，会生成感应电动势。
这个感应电动势会导致转子绕组内产生电流。
3. 电流与磁场相互作用：通过电流和磁场的相互作用，产生一个转矩。
这个转矩会导致转子开始旋转。
4. 磁场改变：随着转子的旋转，磁场的方向也会发生变化，在每个磁极附近，磁场方向会反向。
这样的反向变化会产生一个周期性变化的转矩，使转子得以持续运动。
5. 输入电流调节：为了控制永磁电机的速度和转矩，需要通过调节输入电流来改变定子磁场的强度。
通过适当的输入电流，可以实现永磁电机在不同工况下的运行。
总结起来，永磁电机工作的关键在于通过与定子磁场感应的感应电动势来产生一个旋转转矩，从而实现机械能的转换。
通过
调节输入电流，可以控制电机的转速和转矩，适应不同的工作需求。
无轴承永磁同步电动机悬浮力的前馈解耦控制方法
在 同步旋 转 ｄ ｇ坐标 下 ， 面 式无 轴 承 永磁 同 步 、 表
电 动
机 悬 浮 力
交叉耦合关系 ， 严重时会导致转子悬浮失败 ， 因此无 轴承 电机永 磁 同步 电动机 的解 耦控 制是 实现 其稳 定
悬浮 和 调速 运行 的关 键环 节 。
迄 今 有关 无 轴承永 磁 同步 电动 机悬 浮力 的解耦 方法 ， 一种 是 采用 完 全 依 赖 于被 控 电机 精 确 模 型 的 解 析逆 系统 方 法 Ｊ该 方 法 仅 能 实 现 近 似 解 耦 ， ， 对 电机参 数 变化 和 负 载扰 动 的鲁 棒 性 较 差 ； 一 种 是 另
０引 言
无 轴 承永 磁 同步 电动机 将用 于产 生径 向悬 浮力 的悬 浮绕 组和 普通 永磁 同步 电动 机 固有 的转矩 绕组
起叠 放 在定 子 中 ， 而 实现 转 子 的稳 定 悬 浮 和 电 从 磁 转矩 输 出 【２。无 轴 承永 磁 同步 电 动机 具 有 高转 １］ －
； ｉ使 得转 矩和 悬 浮 力 之 间存 在 耦 合 ， 外 相互 垂 直 此
ｊ 的两悬浮力分量也通过各 自的控制 电流 ｉ ｉ形成 交叉耦合 ， 消除上述多变量 之间的耦合关系是实现
ｊ 电机稳 定悬 浮 的前提 。 当 电机 转子 偏 心 时 ， 转子 上会 产生 单 边 磁拉 力
间以及 悬浮力和 电磁转矩之 间的解耦 控制是提高其系统性能 的关键 。建立 了无轴 承永磁 同步 电动机耦合 的悬浮力 模 型 ， 出了一种前 馈解 耦方法 ， 提 设计 了前馈 解耦 控制器 ， 将之 串接于悬浮 子系统 中， 实现 了上 述多变量之 间的完全
解耦 ， 进行 了控制系统 的仿真研究 。仿 真结果证实 了控制方案 的可行性 ， 控制系统具有优 良的动 、 静态调节性能 。
表贴式永磁同步电动机的典型结构和工作原理
表贴式永磁同步电动机是一种广泛应用于各种电动车辆和工业设备中的电机类型。
它以其高效率、高功率密度和良好的动态特性而备受关注。
本文将介绍表贴式永磁同步电动机的典型结构和工作原理，帮助读者更好地理解和应用这一先进的电机技术。
一、电机结构1. 定子结构表贴式永磁同步电动机的定子结构采用传统的三相绕组，通常由三个对称分布的线圈组成。
这些线圈沿着定子的内部表面环绕，形成一个均匀的环形结构。
定子绕组中的导线经过绝缘处理，以防止电流泄漏和相互短路。
2. 转子结构表贴式永磁同步电动机的转子结构是其独特之处。
与传统的感应电动机不同，表贴式永磁同步电动机的转子上装有一组稀土永磁体，这些永磁体以特定的方式粘贴在转子表面上，形成了一个永磁转子。
这种设计使得电机具有更高的磁场密度和更强的磁场稳定性。
3. 轴承和冷却系统为了保证电机的稳定运行和可靠性，表贴式永磁同步电动机通常配备有高精度的轴承系统，以减少转子与定子之间的摩擦耗损。
电机还需要一个有效的冷却系统，以控制电机温度并防止过热损坏。
二、工作原理1. 磁场生成当三相交流电源施加在定子绕组上时，会产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场会与转子上的永磁体相互作用，导致转子上的永磁体产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场会导致转子产生转矩，驱动电机运转。
2. 同步运行由于转子上的永磁体与定子上的旋转磁场同步运行，因此这种电机被称为同步电机。
同步电机的运行速度与供电频率的倍数成正比，因此在工业应用中通常需要配合变频器等调速设备进行匹配使用。
3. 控制技术为了实现精准的转矩控制和速度调节，表贴式永磁同步电动机通常需要配合先进的电机控制技术。
磁场定向控制、矢量控制等技术可以有效地优化电机的性能，并保证其在不同工况下的稳定运行。
以上就是表贴式永磁同步电动机的典型结构和工作原理的介绍。
这种电机类型在电动汽车、轨道交通、工业机械等领域有着广泛的应用前景。
随着先进材料和电机控制技术的不断发展，表贴式永磁同步电动机必将在未来发挥越来越重要的作用。
永磁同步发电机的工作原理
永磁同步发电机的工作原理一、基本原理从6.2节可见，永磁同步发电机是由定子与转子两部分组成，定子、转子之间有气隙。
永磁同步发电机的定子与普通交流电机相同，转子采用永磁材料。
其主磁通路径如图6-28所示。
图6-28 永磁同步发电机主磁通路径图6-29（a）为一台两极永磁同步发电机，定子三相绕组用3个线圈AX、BY、旋转，永磁磁极产生旋转的气隙磁场，其CZ表示，转子由原动机拖动以转速ns基波为正弦分布，其气隙磁密为——气隙磁密的幅值；式中B1θ——距坐标原点的电角度，坐标原点取转子两个磁极之间中心线的位置。
图6-29 两极永磁同步发电机在图6-29（a）位置瞬间，基波磁场与各线圈的相对位置如图6-29（b）所示。
定子导体切割该旋转磁场产生感应电动势，根据感应电动势公式e=Blv可知，导体中的感应电动势e将正比于气隙磁密B，其中l为导体在磁场中的有效长度。
基波磁场旋转时，磁场与导体间产生相对运动且在不同瞬间磁场以不同的气隙磁密B切割导体，在导体中感应出与磁密成正比的感应电动势。
设导体切割N极磁场时感应电动势为正，切割S极磁场时感应电动势为负，则导体内感应电动势是一个交流电动势。
对于A相绕组，线圈的两个导体边相互串联，其产生的感应电动势大小相等，方向相反，为一个线圈边内感应电动势的2倍（短距绕组需要乘短距系数，见第3章）。
将转子的转速用每秒钟内转过的电弧度ω表示，ω称为角频率。
在时间0～t内，主极磁场转过的电角度θ=ωt，则A相绕组的感应电动势瞬时值为——感应电动势的有效值。
式中E1三相对称情况下，B、C相绕组的感应电动势大小与A相相等，相位分别滞后于A相绕组的感应电动势120°和240°电角度，即可以看出，永磁磁场在三相对称绕组中产生三相对称感应电动势。
关于定子绕组中感应电动势的详细计算可参照第2章。
导体中感应电动势的频率与转子的转速和极对数有关。
若电机为两极电机，周，则导体中电动势交转子转1周，感应电动势交变1次，设转子每分钟转ns/60。
无轴承电机的结构设计说明
. . . .毕业设计报告（论文）课题名称无轴承电机的结构设计专业机电学生学号指导教师王起讫日期2011年5月--2011年11月设计地点摘要为了减小磁轴承电机的轴向长度、提高临界转速、缩小系统体积和提高系统的可靠性，实现磁轴承的集成化、小型化，本文针对无轴承电机的一种新型的永磁偏置径向轴向磁轴承进行了初步的研究。
在我们日常生活中精密数控机床、涡轮分子泵、小型发电机或高速飞轮储能等装备中需要用大功率的高速超高速电动机（以下简称为电机）来驱动。
我们知道，电机高速运转对机械轴承振动冲击大，机械轴承磨损快，大幅度缩短了轴承和电机使用寿命，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。
近 20 多年来发展起来的磁轴承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。
经过这次毕业设计，我的收获不小。
由于本次设计的无轴承电机是较先进的机电一体化产品，运用到控制理论、电磁学理论、电子理论、机械设计等许多方面的知识，涉与面很广。
因此，通过一次设计，不仅巩固了本专业的基础知识，并且学到了许多有关电子信息方面的知识，兼培养了自己的综合设计能力。
由于本人水平有限，时间仓促，文中难免有错误和不足之处，敬请老师与同学谅解并予以指正。
目录第一章11.1 无轴承电机的研究意义与现状11、无轴承电机的研究意义12、无轴承电机的研究现状32.1 无轴承电机的发展状况32.2 无轴承电机的关键技术的研究现状32.3 无轴承电机的应用现状4第二章机械结构的设计52.1 引言52.2 无轴承电机的系统设计51、转轴部件主要结构尺寸的设计62、主轴上零件的布置62.3无轴承电机的总体结构设计72.4 无轴承电机主要零部件的结构设计71、无轴承电机磁悬浮轴承总体结构设计82、永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计82.5 无轴承电机的主要零件结构设计101、电磁轴承的定子与转子102、传感器支架与其基准环103、缸筒124、转轴13第三章磁悬浮轴承的工作原理143.1 引言143.2 磁轴承的组成151、磁轴承的机械系统152、磁轴承的偏磁回路153、磁轴承的控制回路163.1 控制器163.2 功率放大器163.3 传感器163.3 磁轴承的基本工作原理171、永磁偏置径向轴向磁轴承的基本结构和工作原理18 第四章结论21致21第一章1.1 无轴承电机的研究意义与现状1、无轴承电机的研究意义一些精密数控机床、涡轮分子泵、小型发电机或高速飞轮储能等装备中需要用大功率的高速超高速电动机（以下简称为电机）来驱动。
用于离心泵的双层转子结构无轴承永磁薄片电机
ｒ‘ ：鼍掣Ｒｓｉｎ（…ｐ。。“一ｐ，１）７
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３基于Ａｎｓｏｆｔ软件的有限元仿真分析
径向悬浮力逐渐增大，在偏心达到ｏ．６ ｍｍ时，作用｝
翟能够达到５０ Ｎ。其中，在偏心位移为。时，转子ｉ
角度为ｏ。时，转子所受到的径向悬浮力为１１·８７ Ｎ，；
根据模型，代人参数计算得出理论值为１２．１３ Ｎ，分ｉ
内，试验结果பைடு நூலகம்明本文所提出的结构的可行性。
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万方数据
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转矩绕组”相相电流ｉ·”
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无轴承永磁薄片电机转子轴向长度小于转子直 径，呈薄片状，３个自由度处于被动悬浮状态，余下３ 个自由度主动控制悬浮，从而实现了５自由度全悬 浮运行㈡Ｊ，是一种进一步简化了结构、增强了实用 性的无轴承电机。在薄片电机转子上安装叶片，并 让其在一个密闭的泵室中悬浮运行时，就构成了无 轴承薄片电机驱动的离心泵系统。５Ｊ，实现了小型 化、高密封性、超洁净等设计要求；同时，定子与转子 的物理隔离解决了泵系统中所面临的液体分子挤压 破坏、接触面磨损易腐蚀等技术难题，成为新的研究 和应用热点，广泛地应用于生命科学、化工工业、半 导体加工等行业。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｅ耐ｎ９１ｅｓｓ ＰＭ ｓｌｉｃｅ ｍｏｔｏｒ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｕａｌ ｒｏｔｏｒ；ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ
Ｏ引 言
具有无摩擦、无磨损、无需润滑、高速度、高精 度、长寿命等一系列优点的无轴承电机¨。３ｊ，是高速 电机传动领域里的一项重大突破，相比于采用磁悬 浮轴承支承的高速电机，无轴承电机解决了其轴向 占用空间大、控制系统复杂、成本高等一系列缺点， 成为了当今研究的热门项目，在机械加工、半导体工 业等领域有着广泛的应用前景。
永磁同步曳引机
永磁同步曳引机俗称无轴承传动器。
它安装在电梯机房内或电梯井道内，一般在建筑物顶层之上或井道内部，是电梯的动力装置。
永磁同步曳引机，由主机直接带动绳轮，无减速箱装置。
永磁同步曳引机是将无轴承技术运用到永磁同步曳引机上的新型无轴承电动机.目录概述具有低速大转矩特性的无齿轮永磁同步曳引机以其节省能源、体积小、低速运行平稳、噪声低、免维护等优点，越来越引起电梯行业的广泛关注。
无齿轮永磁同步电梯曳引机，主要由永磁同步电动机、曳引轮及制动系统组成。
永磁同步电动机采用高性能永磁材料和特殊的电机结构，具有节能、环保、低速、大转矩等特性。
曳引轮与制动轮为同轴固定联接，采用双点支撑；由制动器、制动轮、制动臂和制动瓦等组成曳引机的制动系统。
永磁同步曳引机组成一种永磁同步曳引机，包括机座、定子、转子体、制动器等，永磁体固定在转子体的内壁上，转子体通过键安装于轴上，轴安装在后机座上的双侧密封深沟球轴承和安装在前机座上的调心滚子轴承上，锥形轴上通过键固定曳引轮，并用压盖及螺栓锁紧曳引轮，轴后端安装旋转编码器，压板把定子压装在后机座的定子支撑上，前机座通过止口定位在后机座上，前机座14两侧开有使制动器上的摩擦块穿过的孔。
性能安全性好常规曳引机曳引轮及制动臂工作受力均为悬臂机构，运动部件受力条件不良。
有些曳引机增加前端盖后，将曳引轮及制动臂工作受力改成双向支撑，特别是在采用复绕方式时，曳引轮长度增加后，其受力由于是双向支撑，无任何不良影响，比之市面上已有的曳引轮及制动臂工作受力均为悬臂的工作方式具有更加优越的工作性能、噪音低、振动孝不产生共振，安全性好。
永磁同步曳引机不易损坏常规曳引机的人工盘车机构是在制动轮或曳引轮上安装一个齿轮圈，再用一个小齿轮与其相配，通过手轮或备用动力盘动该小齿轮转动，再通过齿轮圈带动曳引轮旋转来实现的。
但一个带齿的齿轮圈直接外露，并跟着曳引轮一起旋转，容易伤人，很不安全。
同时操作时还需两个人，一人操作制动机构，另一个操作盘车机构，存在安全隐患。
无轴承永磁同步电机转子初始定位策略
估 计 出转 子 的初 始 位置 ．
无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势
无轴承永磁同步电机原理及研究发展趋势永磁同步电机是一种新型的电机，它结合了永磁材料和无轴承等新技术，具有较高的效率、质量轻、体积小、功能多样和安全等优点。
它在航空航天、船舶、电力、农业、汽车、自动化和智能化等领域得到了广泛的应用，其中最重要的应用是机器人。
本文就无轴承永磁同步电机的原理及其发展趋势进行综合探讨，以期更好地了解该领域未来的发展前景。
一、无轴承永磁同步电机原理无轴承永磁同步电机是基于永磁材料而设计的一种电机，它的主要特点是无需轴承、结构紧凑、重量轻、效率高、功率范围广。
无轴承永磁同步电机的工作原理是利用永磁材料的磁性特性，当控制电流流过永磁棒的时候，使棒中的磁场产生一个转动的力，从而使电机转动。
永磁同步电机的旋转频率取决于控制调速器的输入频率，可以进行调速。
二、无轴承永磁同步电机研究与发展1、新材料研究无轴承永磁同步电机的研究一般是从材料研究开始，目前正在开发新型永磁材料，如钕铁铁氧体、磁性碳氧化物、环形气隙激励磁性材料等，用于构筑无轴承永磁同步电机，以提高效率和减小体积。
2、智能控制策略为了满足无轴承永磁同步电机性能的提高，科学家们正在研究新的智能控制策略，如“电磁常数矢量控制”、“脉冲宽度调制控制”、“模糊控制”等，来实现无轴承永磁同步电机的可靠运行。
3、新型机构研究为了使无轴承永磁同步电机在高速运行和高精度控制方面能发挥更大的作用，科学家们借鉴了传统机械中的机构技术，开发了新型无轴承永磁同步电机的机构，大大提高了无轴承永磁同步电机的动态性能和回应速度。
三、无轴承永磁同步电机发展趋势随着智能制造的发展，无轴承永磁同步电机将成为未来工业自动化和智能制造的重要技术条件，它在交流传动驱动中占据越来越重要的地位。
无轴承永磁同步电机未来发展趋势：（1）将继续发展新型永磁材料，提高电机效率，延长寿命。
（2）利用智能控制策略实现机电一体化，提高电机的动态反应速度和精度。
（3）开发新型无轴承永磁同步电机机构，在高速运行和高精度控制方面能发挥良好的作用。
无轴承永磁同步电机悬浮子系统的 LQG LTR控制器设计
第28卷 第2期航 空 学 报Vol 128No 12 2007年 3月ACTA A ERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA Mar. 2007收稿日期:2006201205;修订日期:2006205219基金项目:国家自然科学基金通讯作者:邓智泉E 2mail :dzq @nuaa 1edu 1cn 文章编号:100026893(2007)022*******无轴承永磁同步电机悬浮子系统的L QG /L TR 控制器设计孟令孔,邓智泉,王晓琳,仇志坚(南京航空航天大学303教研室,江苏南京 210016)Design of L QG /LTR Controller for Suspension Subsystemof PM Type B earingless MotorsM EN G Ling 2kong ,D EN G Zhi 2quan ,WAN G Xiao 2lin ,Q IU Zhi 2jian(Faculty 303,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ,Nanjing 210016,China )摘 要:为1台无轴承永磁同步电机设计了单输入单输出L Q G/L TR 控制器,并对有轻载和白噪声干扰时的悬浮性能进行了仿真研究。
结果表明,空载时稳态悬浮精度在60μm 以内,且控制器具有较强的鲁棒性。
为提高稳态悬浮精度,考虑到无轴承永磁同步电机X 和Y 2个自由度间的耦合,为同一台电机设计了双输入双输出的集中控制器。
结果表明,控制精度提高到30μm 以内,悬浮性能优良。
关键词:鲁棒控制;悬浮;L Q G /L TR ;无轴承电机;永磁同步电机中图分类号:V249.122+.4;TM464 文献标识码:AAbstract :A SISO L Q G /L TR controller is designed for a bearingless permanent magnet synchronous motor ,and the suspension performance with light load and white noise disturbance is investigated ,the simulation re 2sults show that the controller is robust and can ensure the displacement within the range of ±60μm when the motor is unloaded.To improve the precision of suspension performance and considering the coupling of X di 2rection and Y direction ,a BIBO controller is designed ,the results show that the BIBO controller can ensure the displacement within the range of ±30μm and the motor with excellent suspension performance.K ey w ords :robust control ;suspension ;L Q G/L TR ;bearingless motor ;permanent magnet synchronous motor 无轴承电机是应电机向超高速、大功率方向发展这一趋势而产生的,无轴承电机就是把产生悬浮力的绕组与普通电机的绕组叠绕在一体,使电机在旋转的同时实现悬浮[1]。
永磁调速器工作原理及特点
>>>永磁调速器（PMD）的工作原理及特点2007年永磁耦合与调速驱动器从美国引进我国，在美国已大量应用于冶金、石化、采矿、发电、水泥、纸浆、海运、军舰等行业，国内现在应用案例主要有浙江嘉兴电厂，山东海化自备热电厂, 华电东华电厂, 华能南京电厂, 中石化北京燕山石化, 枣庄煤业集团蒋庄煤矿等大型企业集团。
永磁磁力驱动技术首先由美国MagnaDrive公司在1999年获得了突破性的发展。
该驱动方式与传统的同步式永磁磁力驱动技术有很大的区别，其主要的贡献是将永磁驱动技术的应用大大拓宽。
它不解决密封的问题，但是它解决了旋转负载系统的对中、软启动、减震、调速及过载保护等问题，并且使永磁磁力驱动的传动效率大大提高，可达到%。
该技术现已在各行各业获得了广泛的应用。
该技术将对传统的传动技术带来了崭新的概念，必将为传动领域带来一场新的革命。
该产品已经通过美国海军最严格的9-G抗震试验。
同时，该产品在美国获得17项专利技术，在全球共获得专利一百多项。
目前，由MagnaDrive公司和美国西北能效协会组成专门小组对该技术设备进行商业化推广。
由于该技术创新，使人们对节能概念有了全新的认识。
在短短的几年中，MagnaDrive获得了很大的发展，现已经渗透到各行各业，在全球已超过6000套设备投入运行。
(一) 系统构成与工作原理永磁磁力耦合调速驱动(PMD)是通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输。
该技术实现了在驱动（电动机）和被驱动（负载）侧没有机械链接。
其工作原理是一端稀有金属氧化物硼铁钕永磁体和另一端感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载速度调节。
由下图所示，PMD主要由导体转子、永磁转子和控制器三部分组成。
导体转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，导体转子和永磁转子之间有间隙（称为气隙）。
这样电动机和负载由原来的硬（机械）链接转变为软（磁）链接，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化，从而实现负载转速变化。
基于模块化的无轴承永磁同步电机控制软件设计
复杂的控制系统 ， 特殊的硬件结构导致 了软件 主程
序 的繁冗 ， 这不 仅 降低 程 序 的运 行效 率 ， 也增加 了软 件维 护 的难 度 ．
文 中拟 在 阐述 Ｂ ＭＳ 悬 浮 原理 并 分 析控 制 系 Ｐ Ｍ
／
统结 构基础 上 ， 出基 于 数 字信 号 处 理 器 （ Ｓ 模 提 Ｄ Ｐ） 块 化 开发 的控制 系统 软件 程序 结构及 其具 体 的实现 方法 ， 并给 出 Ｔ ３０ Ｆ４７ 中的 ２种 临界 资源 的 ＭＳ２ Ｌ ２０ Ａ 管理 机制 ； 建 Ｂ ＭＳ 数 字 控制 系 统试 验平 台 ， 搭 Ｐ Ｍ 对
无 轴 承 永 磁 同 步 电 机 （ ｅｒ ｇ ｓ ｅｍ ｎｎ ｂａｉ ｌ ｓｐｒ ａｅｔ ｎｅ
ｍａｎ ｔ ｙ ｃｒｎｕ ｏ ｒ简称 Ｂ ＭＳ 是将 磁悬 浮 ｇ ｅ ｓｎ ｈｏ ｏｓｍ ｔ ， ｏ Ｐ Ｍ） 技 术应 用 到永磁 同步 电 机 而 出现 的 一 种新 型 电机 ，
基 于模 块 化 的无 轴 承永 磁 同步 电机 控 制 软 件设 计
朱烷秋 ， 向东，左文全 ，吕艳博 ， 劲夫 付 魏
（ 江苏大学 电气信息工程学 院，江苏 镇 江 ２２ １ ） １０ ３
Hale Waihona Puke 摘 要 ：为使 无轴 承永磁 同步 电机 （ Ｐ Ｍ） 制 和 调 试 更 方便 ， 计 了模 块 化 的控 制 系统软 件 程 Ｂ ＭＳ 控 设 序 ． 阐述 Ｂ ＭＳ 转子 悬 浮原理 的基础 上 ， 出其 电磁 转 矩 方程和 悬 浮力 方程 ． 在 Ｐ Ｍ 给 在论 述 Ｂ ＭＳ 数 Ｐ Ｍ
卷
．
３ ２
ＪＯ Ｕ ＲＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｊｉ ＮＧ ＳＵ ＵＮ Ｉ ＥＲ Ｓ ＴＹ（ ｔｒｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ Ａ Ｖ Ｉ Ｎａｕａ Ｓ ｉｎ ｅＥ ｉｏ ） ｉ
永磁同步曳引机
永磁同步曳引机编辑俗称无减速箱传动器。
它安装在电梯机房内或电梯井道内，一般在建筑物顶层之上或井道内部，是电梯的动力装置。
永磁同步曳引机，由主机直接带动绳轮，无减速箱装置。
永磁同步曳引机是将无轴承技术运用到永磁同步曳引机上的新型无轴承电动机。
目录1简介概述组成2性能安全性好不易损坏稳定性好3特点与优势优势特点4工作原理获得励磁电流的方式与励磁电流有关特性调节电流方法调节励磁辅助设备1简介概述具有低速大转矩特性的无齿轮永磁同步曳引机以其节省能源、体积小、低速运行平稳、噪声低、免维护等优点，越来越引起电梯行业的广泛关注。
无齿轮永磁同步电梯曳引机，主要由永磁同步电动机、曳引轮及制动系统组成。
永磁同步电动机采用高性能永磁材料和特殊的电机结构，具有节能、环保、低速、大转矩等特性。
曳引轮与制动轮为同轴固定联接，采用双点支撑；由制动器、制动轮、制动臂和制动瓦等组成曳引机的制动系统。
组成一种永磁同步曳引机，包括机座、定子、转子体、制动器等，永磁体固定在转子体的内壁上，转子体通过键安装于轴上，轴安装在后机座上的双侧密封深沟球轴承和安装在前机座上的调心滚子轴承上，锥形轴上通过键固定曳引轮，并用压盖及螺栓锁紧曳引轮，轴后端安装旋转编码器，压板把定子压装在后机座的定子支撑上，前机座通过止口定位在后机座上，前机座14两侧开有使制动器上的摩擦块穿过的孔。
2性能安全性好常规曳引机曳引轮及制动臂工作受力均为悬臂机构，运动部件受力条件不良。
有些曳引机增加前端盖后，将曳引轮及制动臂工作受力改成双向支撑，特别是在采用复绕方式时，曳引轮长度增加后，其受力由于是双向支撑，无任何不良影响，比之市面上已有的曳引轮及制动臂工作受力均为悬臂的工作方式具有更加优越的工作性能、噪音低、振动小不产生共振，安全性好。
永磁同步曳引机不易损坏常规曳引机的人工盘车机构是在制动轮或曳引轮上安装一个齿轮圈，再用一个小齿轮与其相配，通过手轮或备用动力盘动该小齿轮转动，再通过齿轮圈带动曳引轮旋转来实现的。
永磁型无轴承电机的设计与控制研究
绕组 ! 永磁 转子 产生 的 ! 3+ 和 3- 为 $ 极悬浮绕组 F 极磁场如图 # 所示 F 如果按图示极性给悬浮 绕 组 3通入相应电流 ! 则 $ 极磁场将与 ! 极磁场相叠加 ! 致 使区域 # 气隙磁密增加 " 区域 $ 气隙磁密减少 ! 不平 衡的气隙磁通密度使电机转子承受沿- 方 向的 磁 悬 促使 转 子 上 浮 F 同 理 在 悬 浮 绕 组 3+ 通 入 电 浮力 ! 流! 可在转子上产生沿+ 方向的悬浮力 F 因此通 过 控 制 3+ 和 3- 绕组 的 电 流 就 可 以 控 制 磁 悬 浮 力 的 大 使电机获得稳定悬浮运行 F 小和方向 ! 要实现 电 机 的 稳 定 及 可 靠 悬 浮 ! 必须使 悬 浮 绕 组产生的悬浮力能抵消单边磁拉力和转子重 力 对 转 子悬浮的影响 ! 为此必须深入考察悬浮力与悬浮绕组 电流之间的关系 ! 实现悬浮绕组正 确设计 F 其中正确 设计的关键是建立磁悬浮力精确计算的解析模型 F 9= :! 计及转子偏心的永磁型无轴承电机磁悬浮力 模型 一 !! 永磁型无轴承 电 机 磁 悬 浮 力 可 分 为 两 部 分 & 部分为均匀气隙中永磁体和转矩绕组产生的气隙磁 场与悬浮绕组电 流 相 互 作 用 产 生 的 可 控 悬 浮 力 % 另 一部分为运行中转子实际定位偏心所产生的单 边 磁 拉力 F 通常情况下 ! 从麦克斯韦力出 发导 出的数 学 模 型非常复杂 ! 不易实现悬浮力的观测和在设计中的应 用! 本文将从气隙磁场能量的观点推导其解析表达 F 根据文献 # $ ! 永磁型无轴承电 机 采 用/ # 0 [" 转 子磁场定向控制 ! 在不考虑转子偏心时气隙磁场能 量可表示为
提高永磁同步电机的转矩的方法
提高永磁同步电机的转矩，是电机领域中一个备受关注的课题。
永磁同步电机因其具有高效、高功率密度和无需外部激励等优点，被广泛应用于电动汽车、风力发电和工业驱动等领域。
然而，永磁同步电机在一些特定工况下可能无法满足转矩需求，因此提高其转矩成为了电机工程师和研究人员们的重要课题。
本文将通过分析永磁同步电机的转矩产生原理，总结提高永磁同步电机转矩的方法和技术，帮助读者更加深入地了解永磁同步电机转矩提高的相关知识。
一、永磁同步电机的转矩产生原理永磁同步电机是一种利用永磁体产生恒定磁场的电机，其转矩产生原理可以通过洛伦兹力和磁场相互作用的基本物理原理来解释。
永磁同步电机通过电流在磁场中受到的洛伦兹力产生转矩，而永磁体产生的恒定磁场则是永磁同步电机实现高效运转的关键。
二、提高永磁同步电机转矩的方法1. 提高永磁同步电机的磁场强度永磁同步电机的转矩与其磁场强度成正比，因此提高磁场强度是提高电机转矩的有效方法。
目前，提高永磁体的磁能积和使用高磁导率材料是增强永磁同步电机磁场强度的主要途径。
合理设计电机的磁路结构和磁极形状，也可以有效增强磁场强度，提高电机的转矩性能。
2. 优化永磁同步电机的电磁设计电磁设计是影响永磁同步电机转矩的重要因素之一，合理的电磁设计可以有效提高电机的转矩性能。
在永磁同步电机的电磁设计中，需考虑永磁材料的选择、磁场分布的均匀性、线圈的匝数和布局等因素，通过优化这些设计参数，可以提高电机的转矩输出。
3. 采用矢量控制技术矢量控制是提高永磁同步电机转矩的重要技术手段之一。
矢量控制技术通过对电机磁场定向控制和电流控制，实现电机的高精度、高效率控制，从而提高了电机的转矩性能。
在矢量控制技术中，磁场定向控制技术和磁场弱化控制技术是提高电机转矩的关键技术。
4. 考虑永磁同步电机的机械结构和散热设计除了电磁设计和控制技术外，永磁同步电机的机械结构和散热设计也对电机的转矩性能有着重要影响。
合理的机械结构设计和有效的散热系统可以提高电机的转矩输出和工作稳定性，减少电机因过热而导致的性能下降。
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采用 i1d=0 控制的无轴承永磁同步电动机矢量
控制框图如图 2 所示。
图 2 无轴承永磁同步电动机控制系统原理图
Fig.2 Control system block diagram of bearingless permanent magnet synchronous motor
3 控制系统硬件设计
转矩绕组在 i1d=0 控制下的数学模型为
转矩电流分量
i1q
=
Te p1ψ f
（6）
励磁电流分量
i1d=0
在此基础上，悬浮绕组数学模型为
（7）
F Mx =f m（ i2dψ f + ψ m1qi2 q）
（8）
F My = − fm（ i2 qψ f −ψ m1qi2d）
（9）
式中 ψf——永磁体磁链
无轴承永磁同步电动机的气隙磁场是由转矩 绕组气隙磁场与悬浮绕组产生的磁场在气隙中叠 加而成，因此总气隙磁场磁感应强度[2,4]
B(ϕ) = Bˆ1 cos( p1ϕ − ω1t + µ) + Bˆ2 cos( p2ϕ − ω1t + λ) （1）
式中 下标 1——转矩绕组 下标 2——磁悬浮绕组 ϕ——空间位置角 µ，λ——初始相角 ω1——转矩绕组电流角频率
关键词：无轴承 永磁同步电动机 DSP 控制 悬浮 中图分类号：TM341
Principle and Realization of Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor
Qiu Zhijian Deng Zhiquan Yan Yangguang （Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China） Abstract The bearingless permanent magnet synchronous motor is a new type bearingless motor to which the bearingless technique is applied. The rudimental principles and basic characteristics of the bearingless permanent magnet synchronous motor are presented. In the paper, an experimental platform of digital control system for real-time control is designed on double-DSP（TMS320LF2407A）. And the design scheme of the software and hardware is also introduced in detail. The results from the experiments of a surface-mounted permanent magnet-type prototype machine demonstrated the good performance of the suspension. Keywords：Bearingless，permanent magnet synchronous motor，DSP control，levitation
2004 年 1 1 月 第 19 卷第 11 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.19 No.11 Nov. 2004
无轴承永磁同步电动机的原理及实现
仇志坚 邓智泉 严仰光
（南京航空航天大学自动化学院电气工程系 南京 210016）
永磁电机的应用范围极为广泛，几乎遍及航空 航天，国防，工农业生产和日常生活的各个领域。 将无轴承技术运用到普通永磁同步电动机上不仅 可以进一步拓展无轴承电机的理论和应用范围，而 且可以充分发挥永磁同步电动机控制方便、结构简 单、效率高、功率密度大的长处。
无轴承电机自身的结构特点决定了它是一个 较普通电机更为复杂的非线性系统，电机的转矩控 制和悬浮力控制之间存在复杂的强耦合关系。因
DSP 数字控制器、两套电流跟踪 PWM 型逆变器 （CRPWM）电路板和各种传感器。
力的 CPU 内核结合在一起，是一种实现无轴承电机 控制的理想控制器。图 4 是采用双 DSP 控制的电路 框图。
对于无轴承永磁同步电动机系统而言，能否实
现电磁转矩和悬浮力之间的解耦控制，关键要看转
矩绕组转子磁场定向是否精确。所以要实现电动机
摘要 无轴承永磁同步电动机是将无轴承技术运用到永磁同步电动机上的新型无轴承电动 机。本文阐述了永磁同步电动机无轴承技术的工作原理，设计和实现了该电动机基于 LF2407A 数 字控制的硬件实验平台和软件系统。通过对整个无轴承永磁同步电动机系统的实验调试，成功实 现了无轴承永磁同步电动机转轴的稳定悬浮。
2 无轴承永磁同步电动机悬浮机理及其数 学模型
2.1 悬浮机理 无轴承电机的定子中有两套不同极对数的绕
组，转矩绕组（极对数 p1）用来产生电磁转矩，悬 浮绕组（极对数 p2）用来产生可控的悬浮力。当极 对数满足 p2=p1±1 时，电机中才能产生可控的悬浮 力[3～5]。悬浮控制绕组的引入，打破了电机原旋转 磁场的平衡，使得电机某一区域中气隙磁场增强， 而其空间对称区域气隙磁场减弱，则转轴受到的磁 张力（即麦克思韦力）将指向磁场增强的一方。如 图 1a 所示的无轴承表面永磁同步电动机（p1=2， p2=1）两个磁场的相互调制使得转子左右侧气隙磁 通密度不均匀，其结果产生的麦克思韦合力（即径 向悬浮力）指向 X 轴的正方向，转轴将向右偏移； 图 1b 中两个磁场的作用产生了沿 Y 轴正方向的悬 浮力。如果能检测转子径向位移偏离量，来调节悬 浮绕组的电流，就可以改变可控悬浮力的大小与方 向，实现电动机转子的稳定悬浮。 2.2 数学模型
国家自然科学基金资助项目（59977009）。 收稿日期 2004-02-12 改稿日期 2004-07-26
磁轴承结构和交流电机定子结构的相似性，把产生 悬浮力的绕组叠绕在原来普通电机定子绕组中，这 样它不仅继承了传统磁轴承电机的优点，而且不占 用额外的轴向空间，电机体积和重量可以设计得非 常小，可靠性高，还可突破更高转速和大功率的限 制，因而在很大程度上拓宽了高速电机在大功率和 超高转速领域中的应用[1,2]。
则麦克斯韦力在 X、Y 轴上的分量为
FMx
=
lrπBˆ1Bˆ 2 2µ0
cos(λ
−
µ)
（2）
图 1 悬浮力产生原理图 Fig.1 Principle of radial force production
FMy
=
lrπBˆ1Bˆ 2 2µ 0
sin(λ − µ)
（3）
在同步旋转坐标系下，将麦克斯韦力用 d、q 坐标轴上的各分量表达（电机的三相/二相变换采用 功率不变变换）
4 控制系统软件设计
考虑到本系统中悬浮控制过程的复杂性，因此 本实验平台的控制系统软件全部采用汇编语言模 块化编程。这不仅提高了 DSP 的运行效率，而且增 加了程序的通用性和可移植性，有利于系统的维护 和改进。
图 5 为无轴承永磁同步电动机程序流程图，运 算和控制环节都是在各自的周期定时中断服务子 程序中完成，控制周期设置为 0.0625ms。转矩绕组 DSP 主要完成无轴承永磁同步电动机的 i1d=0 控制，
Lm2——悬浮绕组互感 is2d，is2q——悬浮绕组电流在 d、q 轴下的分量
10
电工技术学报
2004 年 11 月
从上式可知，无轴承表面永磁同步电动机的电
磁转矩控制和悬浮力控制相互耦合，当采用 i1d=0 控制时，能够实现电磁转矩控制与悬浮控制的解耦，
同时也能准确、有效地控制悬浮力大小和方向[6～8]。
图 5 无轴承永磁同步电动机程序流程图 Fig.5 Flow chart of computer program
软件主要由主程序、周期定时中断服务子程序以及 捕获中断服务子程序组成。首先利用捕获单元中的 正交解码电路检测转子实际转速 nr 和转角θr，通过
12
电工技术学报
2004 年 11 月
时处理复杂解耦运算的能力。本文采用的两片 TMS320LF2407A 芯片是数字电机控制（DMC）专
图 3 是无轴承永磁同步电动机硬件控制系统框 用数字信号处理芯片，它把几种特别适合电机控制
图 ， 具 体 包 括 ： 无 轴 承 永 磁 同 步 电 动 机 本 体 、 双 应用的先进外围设备和具有低成本、高性能处理能
1 概述
在高速机床、涡轮分子泵、离心机、压缩机、 飞轮贮能以及小型发电设备等工业领域，高速和超 高速电机得到越来越广泛的应用。但是机械轴承性 能的严重不足制约着电机向更高转速和更大功率方 向发展，虽然磁浮轴承由于其具有无润滑、无磨损、 无机械噪声和结构简单的特点，在高速电机领域已 经获得广泛的应用，但是由于磁轴承功耗相对较大， 而且本身占有一定的轴向空间，因此限制了高速电 机的微型化，同时也限制了其临界转速和输出功率。 近些年发展起来的无轴承技术则是高速电机研究领 域的一大突破，该技术能够同时实现转矩控制与悬 浮控制。与传统磁悬浮电机悬浮机理不同，它利用
问题。针对系统数据传递具有数据量少、速度高的 特点，采用了双向传送/锁存器 SN74LVTH16245A 和 SN74LVCH16374A 来实现双机并行通讯。
对无轴承永磁同步电动机实现高精度悬浮控 制影响最大的另一个环节是对转轴位移变量的实 时检测[9～10]。本文采用电涡流位移传感器检测转轴 位移，对被测物体实现非接触测量，能更直接、准 确地测量转轴旋转时的位移值。该传感器的标准灵 敏度为 16V/mm，灵敏度误差不大于 1%。此外为了 防止温漂等因素的影响，本实验平台还采用两个传 感器的差分信号作为位置反馈信号，经信号调理 后，通过 DSP 的 A/D 转换再进行位置环的数字调 节。