无轴承永磁电机及其控制..

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永磁型无轴承电机悬浮系统的PID-PD控制

悬浮绕组电流的关系可以写为：
ｒｒ
控制目标。
＝ —— 一ｉｌｓ＝， —— 一２０／ｌＩｇ、￡２Ｉｌ￣ｏｔｍ２ｇＶｌｍＬ
。１）（
式中：，为水平和垂直方向的可控悬浮力（应于位移对
ｔｌｒｉｄｓｇｅ．ｅｉｅ，ｈｅａｉｎｈｐｏｈｓｓｈｍｅａｄｔｅｃａｓＩｃｎｒｌｅｎｂａｉｇｅｓｓｓｅｉｎ — ｒｌｓｅｉｎｄＢｓｄｓｔｅｒｌｔｓｉｆｔｉｃｅｎｈｌｓｉＰＤｏｔｏｌｒｉｅｒｌｓｙｔｍｓａａｏｅｏｃｎｌｚｄ，ｎｔｉｉｄｃｔｄｔａｈｏｔｌｓｒｔｇｎｉｎｄｃｕｄｂｓｄｆｒｔｅａｐｏｉｔｎａｄｐｅｉｔｎｏｏ — ｙｅａｄｉｓｎｉａｅｈｔｔｅｃｎｒｔｅｙｍｅｔｅｏｌｅｕｅｈｐｒｘｍａｉｎｒｄｃｉｆｃｎｏａｏｏｏｏ
（．１浙江大学，电气工程学院，浙江杭州
敏，程帅
３０１）１０３
３０２；２浙江科技学院，１０７．电气学院，浙江杭州
摘要：Ｉ制器被广泛应用于控制各种稳定的系统，ＰＤ控其参数可采用Ｚｅｌｉｏｓ的方法进行确定，ｉｇｒＮｃｌｅｈ但对于不稳定系统采用ＰＤ控制，Ｉ一般需进行大量的调试工作。此处采用双环ＰＤ控制，Ｉ先将系统内环转化为稳定的控制模型，通过外环控制器改善系统性能，对永磁型无轴承电机（ＭＢ的数学模型，再针ＰＭ）设计了ＰＤ．Ｄ控制ＩＰ器。此处给出了无轴承系统ＰＤ．Ｄ控制与传统ＰＤ控制间的关系，ＩＰＩ即该方法可用于永磁无轴承电机调试现场中ＰＤ参数的预估．真和实验证明了该方法的可行性。Ｉ仿

无轴承永磁同步电动机的原理及实现

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

基于DSP无轴承永磁同步电机控制系统设计

３．南京西门子有限公司，苏南京江
摘要：了控制无轴承永磁同步电机的旋转和转子的稳定悬浮，为设计出了以Ｔ３０Ｆ４７为微处理Ｍｓ２Ｌ２ＯＡ器核心的无轴承永磁同步电机控制系统，充分利用Ｔ３０Ｆ４７的中断系统设计出能同时控制电机ＭＳ２Ｌ１０Ａ２
无轴承永磁同步电机的控制必须同时实现转矩控制和径向力控制，且还是一个强实时控制系统，并控制软件不仅要保证执行过程和结果的正确，同时还必须保证在数字控制系统允许的时间范围内完成控制量的
是通过控制气隙磁场产生的，电机带有负载时转矩当绕组中电流Ｌ不为０径向力绕组电流与径向力之间，
ｔｌｌｔｍａｎｔｒｕ，ｈｔｏｉｏｎｌｉｃｅｋｄｂＥｎＡ６Ｎ．ｔａｔｔｅｃｍｍｎｒｅｒｇｅｃｔｑｅｔｅｍｏｒｐｓｉａｇｓｈｃｅｙＱＰａｄＣＰＩＴＡｓｈｏａｄｏｅｃｏｉｏｏｔｎｅｌ，・ Nhomakorabea４８・
《测控技术｝００年第２第９期２１９卷
基于ＤＰ无轴承永磁同步电机控制系统设计Ｓ
张
（．南京信息职业技术学院，１江苏南京
磊，李同华
２０１１０６；
２０４）１０６
２０４；．南京航空航天大学自动化学院，１０６２江苏南京
存在一个由电机负载引起的电角度，时的数字控制此系统构成如图１所示。图中，为无轴承永磁同步电动机角速度的命令值（单位为ｒｄ，子实际的角速度由光电编码器检ａ）转

无轴承永磁同步电机数字控制系统的设计

第４４卷第５期２１年５月００
电力电子技术
ＰｏｒＥｌｃｒｎｉｓｗｅｅｔｏｃ
Ｖｏ．４，Ｎ．１４ｏ５Ｍａ，０１ｙ２０
无轴承永磁同步电机数字控制系统的设计
张磊１，俞，２跃，同华。李
２０１）１０６（．京信息职业技术学院，苏南京１南江２０４；．航空航天大学，苏南京１０６２南京江
ｚＨＡＮＧｅ－Ｌｉ－．ＹＵｅ．ＬＩＴｎ．ｕＹｕｏｇｈａ
（．ａｉｇＣｌｇｎｒｔｎＴｃｎｌｙＮｎｉ１０６Ｃｉ；１ｎｎｏｅｅｏｆｍａｏｅｈｏｇ，ａｊｇ２０４，ｈｎＮｊｌｆｉｏｉｏｎａ
无轴承ＰＭ的气隙磁场由永磁体、ＭＳ电机定子绕组
和径向力绕组三者产生的磁场组成，隙磁场方向气
确定的准确度直接影响到对电机转子的径向控制。
当电机带有负载时，转矩绕组中电流ｉ。ｑ即 ≠０
ｖｃｏｏｔｌｍｅｈｄｉｕｅｏｏｔｉｅｔｅｄｃｕｌｇｃｎｒｌｂｔｅｎｒｖｌｉｇｔｒｕｎａｉｌｆｒｅ，ｅｄｇｔｌｅｔｒｃｎｒｔｏｓｓｄｔｂａｎｈｅｏｐｉｏｔｏｅｗｅｅｏｖｎｏｑｅａｄｒｄａｏｃｓｔｉｉｏｎｈａ
・
２ＮｎｉｇＵｉｒｔｏａｅｏａｔｓｎｓｏａｔｓＮｎｉ２０１，ｈｎ）．ａｎｎｅｓｙｆｎｕｉｄＡｔｎｕｉ，ａｊ１０６Ｃｉａｊｖｉｒｃａｒｃｎ

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ｄｇ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ｉｉ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。

无轴承永磁电机及其控制

◼ （1）磁悬浮机理与数学模型研究
◼ 永磁型无轴承电机内的悬浮控制绕组、转矩控制绕组、永磁体磁场通过气隙磁场互相耦合，电磁悬浮力和电磁转矩产生过程包含机、电、磁的各种暂态与稳态运动过程，具有极强的非线性耦合特征，而现有的研究多采用磁共能法、麦克斯韦张量法、有限元法等来独立建立转矩控制绕组与悬浮控制绕组数学模型，难以反映两者间的动态非线性耦合。且不同转子结构的永磁型无轴承电机，悬浮机理与磁链方程、电压电流方程、电磁悬浮力方程、电磁转矩方程及其等效电路等数学模型也各有差异，因此要想获得高品质的转矩与悬浮控制性能，必须深入研究其内部的能量转化关系，综合考虑铁心磁饱和效应，定子齿槽效应、谐波分量以及转子偏心等诸多因素，在此基础上建立更加准确的数学模型。
永磁型无轴承电机研究趋势
◼ （3）无轴承电机新型结构的研究
◼ 传统的永磁型无轴承电机以表面贴装式永磁电机为主，其悬浮力和转矩输出能力相互制约，永磁体厚度的选择必须折中考虑，太厚或太薄分别对悬浮力和转矩输出都有不利的影响，从而导致电机承载力和刚度较小、弱磁能力差、永磁体易退磁等诸多问题，严重制约了永磁型无轴承电机的应用和发展。
◼ 苏黎世联邦工学院和Levitronix公司研制成功的无轴承永磁电机驱动的血泵以及可移植到人体内的左心室辅助装置已在临床中应用。
◼ 东京理工大学和MotorSolution公司于 2008年将交替极型无轴承永磁电机应用于半导体制造工厂中的超纯水泵的电机, 其最高转速为6000r/min、功率为1.2kW。
无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁同步电机研究现状无轴承永磁同步电机结构原理无轴承永磁同步电机建模方法无轴承永磁同步电机解耦控制策略无轴承永磁同步电机控制系统

无轴承永磁同步电动机的非线性L2鲁棒控制

扰的情况下建立了电机的非线性数学模型，并且通过构造适当的存储函数推导出用于描述【鲁棒控制器的四个控Ｊ２制律，最后利用仿真测试转速和转子悬浮的抗干扰性能证实了控制律能满足干扰抑制和系统的渐进稳定。关键词：无轴承永磁同步电动机；非线性【鲁棒控制；子悬浮Ｊ２转
０引言
无轴承永磁同步电动机是将磁悬浮轴承技术和电机技术相结合提出的一种新型特种电机，由于它体积小、量轻、重效率高、功率密度大等优点，自上个
１问题的描述
１１电机转矩绕组数学描述 … ・ｊ
假定ｄｑ．轴电感＝￡，￡＝ｔ那么无轴承永磁；
同步电机转子旋转部分的非线性数学描述为：电流方程：
ｄ．１Ｒｌ＋
．．
世纪９年代以来，０已经逐渐成为高速电动机领域研究的新热点。从数学模型上看，轴承永磁同步电无［］１采用基于转子磁场定向控制策略，利用ＰＤ调Ｉ节器，设计了无轴承永磁同步电动机矢量控制系统，
但并没有考虑转子自旋所产生的离心力对转子悬浮
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厣线性ｈｔ＿罨霉ｗ．ｏ０－ｌ莽杂系统献Ｉ，Ｃ≯０．ｏｎ＿机是一个多变量、耦合的非ｊ复ｔｐ，。文ｌ强
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维普资讯
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无轴承永磁同步电机径向力控制研究

ＳＭＬＩＫＩＮ
１径向力产生原理
无轴承永磁同步电机的基本工作原理可以从图１示的模型中得到解释。所以定子等效绕组
径向力
ＭＡＴ／ＩＡＢ
中图分类号：ＴＭ３１文献标识码：５Ａ
ＤＯＩ编码：０３６／ｉｓ．０６２０．０００．０１．９９ｊｓｎ１０－８７２１．６０８．
。穆
ｒ＾
现代驱动与控制
无轴承永磁同步电机径向力控制研究
张磊李同华，
１京信息职业技术学院（１０６）南２０４２南京航空航天大学（１０６）２０１
ＳｔｕｄｙｏｎＲａｄｉａｌＦｏｒｅｏｆｔａｒｎｅＳＰｅｒａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔｓｅｈｅＢｅｉＳｍ－ｙｎｅｈｒｏｎｏｎｓＭｏｔｏｒＺｈａｎｇＬｅＬｉＴｇｈｉｏｎｕａ
ＮａｊｇＣｌｇｆｎｏｍａｉｎＴｃｎｌｇｎｏｌｅｏｆｒｔｅｈｏｏｙｉｎｅＩｏ
ＮａｊｇＵｎｖｒｉｆｒｎｕｉｓｎｔｎｕｉｓｎｉｅｓｔｏｏａｔｄＡｓｒａｔｉｎｙＡｅｃａｏｃ
Ｕ＝ｃ４ｂａ２ｏ／ｐＬａ
Ｕ＝ｃ４ｂｂ２ｏ，ＤＬａ
（）５
（）６
致ｌ处磁通密度增加，处磁通密度减小，３从而产
生一个使转子将向ｘ正方向移动的力。同理，如果转子出现沿ｘ向右偏心时，ｘＮ中通反方向电流时，
４
护、高转速等一系列突出优点，在真空、静室、无菌车间、腐蚀性介质或非常纯净介质的传输等领

无轴承永磁同步电机启动控制研究

ＴＭＳ２Ｌ８２，ｎｌｐｓｔｎｓｎｎｈｔｅｊｒｃｍｐｎｎｓ３０Ｆ２１ａｄＨａｌｏｉｏｅｓｒｉｃｅｎａｏｏｌｃｒｃｌｃｄｒａｄｔｅｏｈｒｍａｏｏｏｅｔｉｐｅ
ＷＥＩｉ— ｕｎｆ，ＺＪＨＵａｇｑｕＨｕｎ — ｉ，ＹＵｉｇＪｎ
（ｃｏｌｆｅｔｉａｎｒｒｔｏｇｎｅｉｇ，ＪａｇｕＵｎｖｒｉｙ，ＳｈｏＥｌｃｒｃｌａｄＩ，ｍａｉｎＥｎｉｅｒｎｏ｝ｆｏｉｎｓｉｅｓｔ
ａｅａｓｄｐｅ．Ｉｄｉｏｒｌｖｎｉｌｔｎａｄｅｐｒｎｅｅｒｈｗｅｅｃｎｕｔｄｒｌｏａｏｔｄｎａｄｔｎ，ｅｅａｔｓｍｕａｉｎｘｅｉｉｏｍｅｔｒｓａｃｒｏｄｃｅ．Ｓｍｕａｉｎａｄｅ — ｉｌｔｎｘｏ
ｓｓｅｏｎｙｔｍｂｅｒｎｇｅｓａｉｌｓＰＭＳＭｗａｂｕｉｔＩｔｓａｆｍ，ｔｃｅｏｐｏｎｔｓｇｉａｓｇｌｏｃｓｏｓｌ．ｎｈｉｐｌｔｏｒｈｅｏｒｃｍｎｅｉｄｉｔｌｉｎａｐｒｅｓｒ
稳、速启动。快
关键词：轴承电机；磁同步电机；分搜索法；子初始位置；子磁场定向无永二转转
中图分类号：ＴＭ３１４文献标识码：Ａ
ＳｔｄｎＳａｔｎｇＣｏｒｌｏａｉｇｅｓＰｅｍａｅａｎｔＳｃｏｏｓＭｏｏｕｙｏｔｒｉｎｔｏｆＢｅｒｎｌｓｒｎｎｔＭｇｅｙｎｈｒｎｕｔｒ

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及轴向定位磁轴承控制技术

江苏大学硕士学位论文无轴承永磁同步电机及轴向定位磁轴承控制技术姓名：吉裕晖申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：朱熀秋20100612江苏大学硕士学位论文摘要无轴承永磁同步电机是将磁悬浮技术应用于普通永磁同步电机的一种新型电机。

无轴承永磁同步电机的定子槽内嵌有两套绕组即转矩绕组和悬浮力绕组，转矩绕组用于实现电机的旋转，悬浮力绕组用于控制转子的悬浮。

无轴承永磁同步电机具有无摩擦、无磨损、无润滑、功率密度大等一系列综合性优点，在航空航天、生命科学等领域具有潜在的应用前景，受到国内外很多研究机构的高度重视。

论文重要工作如下：１．分析了无轴承永磁同步电机的悬浮力产生方式，进而阐述了无轴承永磁同步电机的悬浮机理，推导了极对数ＰＭ＝ｌ，ＰＢ＝２的无轴承永磁同步电机的数学模型。

无轴承永磁同步电机是一强耦合、多变量的非线性系统，实现电磁转矩与径向悬浮力的解耦控制是电机稳定运行的前提，本文采用了基于ＳＶＰＷＭ转子磁场定向解耦控制方法，设计了无轴承永磁同步电机的控制系统，利用ＭＡＴＬＡＢ软件进行建模仿真，结果验证了该方法的有效性。

２．对无轴承永磁同步电机系统中的轴向定位磁轴承系统进行了理论和实验研究。

介绍了轴向混合磁轴承的结构与工作原理，推导了其数学模型。

详细介绍了磁轴承功率放大器的种类、主电路拓扑结构和控制策略，设计了一种集成式两电平ＰＷＭ开关功率放大器，再用轴向位移检测电路和模拟ＰＩＤ控制器设计了轴向定位磁轴承的控制系统，并对该系统进行了实验调试，结果验证了其设计的合理性和有效性。

３．研究了以ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡＤＳＰ为数字控制器的无轴承永磁同步电机数字控制系统，介绍了以ＩＰＭ功率集成模块为核心的硬件系统，以及ＣＣＳ２０００开发环境的软件系统，给出了功能模块的程序流程图。

对两自由度无轴承永磁同步电机数字控制系统的软、硬件进行实验调试，给出了部分调试结果并对其进行了分析，实验结果验证了所提出理论的正确性。

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]。

基于ANSYS的无轴承永磁薄片电动机特性分析

．
Ｔｅｄｓｂｔｎｏａｉｌｕｐｎｉｎｆｒｅａｔｇｏｈｏｏｉｌｕｆｃａｎｌｚｄｂｓｎｅｆｉｌｍｅｔｎｌｓｓｈｉｔｕｉｆｒｄａｓｅｓｏｃｃｉｎｔｅｒｔｒｃｒｅｓｒａｅｗｓａａｙｅｙｕｉｇｔｎｔｅｅｎａｙｉｉｒｏｓｏｎｃｈｉｅａ
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基于ＡＹＳ的无轴承永磁薄片电动机特性分析ＮＳ
徐亚超，烷秋朱
（苏大学，苏镇江２２１）江江１０３
ｓｒｔｏｆｃｎｒｌｓｓｅｔｕｅｉｎｏｏｔｏｙｔｍ．
Ｋｅｒｙｗｏｄｓ：ｅｒｎｇｅｓｓｉｅｍｏｏ；ｂａｉｌｓｌｃｔｒＡＮＳＹＳ；ａａｕｐｎｉｎｆｒｅ；ｏｑｅｒｄｉｌｓｓｅｓｏｏｃｔｒｕ
摘
要：介绍了无轴承薄片电动机的基本结构和工作原理，用转子气隙磁场积分的方法推导出电机悬浮力和
电磁转矩数学模型。利用ＡＳＳ有限元分析软件，ＮＹ分析了电机转子圆周面上径向悬浮力的分布，验证了径向悬浮
力产生机理和数学模型准确性，分析了径向悬浮力和转矩的特性，电机控制系统的构建提供了理论依据。为

密封泵中无轴承永磁同步电动机的试验研究

ｓｌｅｙｕｉｇｂａｉｇｅｓｃｎｅｕｓＩｔｏｕｉｇｔｅｐｉｃｐｅｏｏｏｕｐｎｉｎｏｂａｉｇｅｓｏｖｄｂｓｅｒｎｌｓａｎｄｐｍｐ．ｎｒｄｃｎｒｉｌｆｔｒｓｅｓｏｆｅｒｌｓｎｈｎｒｓａｎ
Ｅｘｅｉｅｔｒｓａｃｎｂａｉｇｅｓｐｒａｅｔｍａｎｔｐｒｍｎｅｅｒｈｏｅｒｎｌｓｅｍｎｎｇｅｓｎｈｒｎｕｏｏｎｃｎｅｕｐｙｃｏｏｓｍｔｒｉａｎｄｐｍ
ｐｒｎｎｇｅｓｎｈｏｏｓｍｔ（ＰＭ）ｈｔｅａｉｌｏｅｓｏｌｔｍａｎｔｏｑｅｅｍａｅｔｍａｎｔｙｃｒｎｕｏｏＢＭＳ，ｔｅｍａｍｔａｍｄｌｆｅｅｒｇｅｉｔｒｕｒｈｃｃｏｃ
ａａｉｌｕｐｎｉｎｏｃｓｎｄｒｄａｓｓｅｓｏｆｒｅｗｅｅｉｅｒｇｖｎ．ＡｃｏｄｎｔｔｅｃｒｉｇｏｈＢＰＭＳＭｃｎｒｌｙｔｍｆｎｔｏｂｏｋｏｔｏｓｓｅｕｃｉｎｌｃｄａｒｍ，ｈｅｉｉａｃｎｒｌｙｔｍｓｅｃｉｅ．Ｉｏｄｅｔｍａｅｏｗａｅｎｈｒｗａｅｆｔｅｉｇａｔｄｇｔｌｏｔｏｓｓｅｗａｄｓｒｂｄｎｒｒｏｋｓ，ｒａｄａｄｒ０ｈＢＰＭＳｃｎｒｌｓｓｅｗｏｋｉｃｏｄｎｔｏＭｏｔｏｙｔｍｒｎｏｒｉａｉｎ．ｔｅｈｈｕｍａ．ｏｕｅｎｅａｔｏｎｅａｅｂａｅｎｔｅｎｃｍｐｔｒｉｔｒｃｉｎｉｔｒｃｓｄｏｈｆ

永磁型无轴承电机的设计与控制研究

#$ 浮中定 " 转子定位偏心产生的附加单边磁拉力 # ! 或
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

无轴承永磁同步电机无速度传感器控制系统

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无轴承永磁电机及其控制..54页PPT

Thank you
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡Байду номын сангаас基。
梦境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有久久不会退去的余香。
无轴承永磁电机及其控制.. 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮回里有你。

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无轴承永磁电机及其控制
上海大学机自学院自动化系仇志坚 qiuzhijian@
无轴承永磁电机及其控制
无轴承永磁同步电机研究现状
无轴承永磁同步电机结构原理
无轴承永磁同步电机建模方法
无轴承永磁同步电机解耦控制策略

无轴承永磁同步电机控制系统
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永磁型无轴承电机研究现状
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永磁型无轴承电机研究趋势
（3）无轴承电机新型结构的研究
传统的永磁型无轴承电机以表面贴装式永磁电机为主，其悬浮力和转矩输出能力相互制约，永磁体厚度的选择必须折中考虑，太厚或太薄分别对悬浮力和转矩输出都有不利的影响，从而导致电机承载力和刚度较小、弱磁能力差、永磁体易退磁等诸多问题，严重制约了永磁型无轴承电机的应用和发展。 ①永磁体转子两端附加一套转子铁心，构成永磁-磁阻混合型转子结构，以此提高转矩和悬浮力。 ②交替极（consequent-pole）永磁型无轴承电机从定转子磁路结构上实现了电机转矩控制与悬浮控制的解耦，悬浮力的控制不再需要转矩控制绕组磁场定向的位置角，从而在电机本体设计的角度上解决了控制的耦合性。 ③此外，传统的无轴承电机本身只能实现两自由度的悬浮，而对必须实现五自由度稳定悬浮的整个电机控制系统来说，尚需要磁轴承或其他部件来控制剩余三个自由度的悬浮。（轴向主动悬浮的三自由度无轴承电机） ④单绕组无轴承永磁电机：通过改变转矩绕组的连接方式和控制方法，一套绕组即可实现电机的无轴承化。
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永磁型无轴承电机研究现状
目前，不同转子结构的无轴承永磁电机已经相继研究出现。例如表面贴装式、嵌入式、埋入式、混合式、交替极式等。研究热点主要集中在电机数学模型、无轴承电机本体优化、控制策略解耦分析等方面。（南航、浙江大学、江苏大学）
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e)交替极式
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永磁型无轴承电机研究趋势
（2）无轴承电机本体优化设计的研究
目前永磁型无轴承电机本体研究主要是对现有永磁型无轴承电机定转子尺寸、转子永磁体结构形式、定子槽形优化、两套绕组匝数和线径及其绕制方式的设计研究。仍然是将转矩控制绕组设计与悬浮控制绕组设计割裂开来，借鉴了普通电机转矩控制绕组的设计过程与经验公式来设计悬浮控制绕组，没有对悬浮控制绕组匝数、线径与槽满率及悬浮功率，悬浮力与悬浮性能之间的优化原则进行系统细致的分析研究。因此也无法像普通电机转矩控制绕组设计那样从总体上把握与预测所设计出的电机性能优劣，同时无轴承电机转矩控制绕组的设计目前也没有考虑在附加了另一套绕组之后对转矩控制绕组电磁耦合的影响。特别是在高速、超高速情况下，转子永磁体与两套绕组如何优化设计才能使电机电磁性能最优，对现有永磁型无轴承电机的本体研究具有重大意义。
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永磁型无轴承电机研究趋势
（4）无轴承电机解耦控制算法的研究
目前研究的无轴承永磁电机控制策略中，转矩控制子系统和悬浮控制子系统之间大多存在气隙磁场信息传递，电机的转矩控制与悬浮力控制之间存在非线性强耦合特性，使得两者控制策略相互制约，导致解耦算法复杂，不利于实用化。因此，采用转矩控制子系统和悬浮控制子系统独立控制，既使得悬浮控制摆脱转矩控制绕组磁场定向控制精度以及其参数变化的影响，又可实现转矩控制绕组可以采用通用变频器，提高了实用性。无轴承电机相对于普通电机结构更为复杂，不同工况下的电机参数变化对转矩控制和悬浮控制性能造成的影响更为明显。一方面，通过运用现代控制理论的方法，例如模型参考自适应控制对绕组电感系数等相应参数测量、辨识或采用补偿控制来消除参数变化对电机转速、电磁悬浮力和电磁转矩等性能指标的影响，从而提高悬浮运行控制的鲁棒性。另一方面，鉴于无轴承电机本身是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，选择稳定性好、鲁棒性强、适用面广的控制方法设计出性能优良的控制器如H∞控制，以提高无轴承系统的稳定性和动态特性。
永磁型无轴承电机：功率密度大、长寿命、高效率和体积小，在飞轮储能、泵类、压缩机、卫星姿态调整等领域更具备实用化的优势。
苏黎世联邦工学院和Levitronix公司研制成功的无轴承永磁电机驱动的血泵以及可移植到人体内的左心室辅助装置已在临床中应用。东京理工大学和MotorSolution公司于 2008年将交替极型无轴承永磁电机应用于半导体制造工厂中的超纯水泵的电机, 其最高转速为6000r/min、功率为1.2kW。
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永磁型无轴承电机研究趋势
（1）磁悬浮机理与数学模型研究
永磁型无轴承电机内的悬浮控制绕组、转矩控制绕组、永磁体磁场通过气隙磁场互相耦合，电磁悬浮力和电磁转矩产生过程包含机、电、磁的各种暂态与稳态运动过程，具有极强的非线性耦合特征，而现有的研究多采用磁共能法、麦克斯韦张量法、有限元法等来独立建立转矩控制绕组与悬浮控制绕组数学模型，难以反映两者间的动态非线性耦合。且不同转子结构的永磁型无轴承电机，悬浮机理与磁链方程、电压电流方程、电磁悬浮力方程、电磁转矩方程及其等效电路等数学模型也各有差异，因此要想获得高品质的转矩与悬浮控制性能，必须深入研究其内部的能量转化关系，综合考虑铁心磁饱和效应，定子齿槽效应、谐波分量以及转子偏心等诸多因素，在此基础上建立更加准确的数学模型。此外，现有的无轴承电机数学模型研究多集中在径向两自由度悬浮的无轴承电机上，而对整个五自由度悬浮的电机系统数学模型研究较少。五自由度悬浮的电机系统不仅存在内部的电磁耦合，而且各个悬浮自由度之间还存在着机械动力耦合，因此从整个大系统的角度，结合转子动力学和现代控制理论开展五自由度悬浮数学模型的研究是无轴承电机系统走上实用化的关键所在。
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永磁型无轴承电机研究趋势
（5）无速度无位移传感器技术的研究
永磁型无轴承电机采用的磁场定向控制的性能受需要检测的转子位置和速度精度的影响较大，而悬浮力与转矩的解耦控制性能又受转矩控制绕组所检测的气隙磁场空间位置与幅值的影响。对在高速领域具备独特优良性能的无轴承电机来说，显然采用机械式传感器显得不合时宜。因此研究无轴承电机的无位置/速度传感器运行已成为无轴承电机实现高速、超高速化的迫切需要。检测转子悬浮位移的电涡流传感器一方面存在安装精度与可靠性问题，另一方面传感器数量多，造价昂贵，又占有一定的轴向检测空间，增加了无轴承电机系统的体积和长度，不利于无轴承电机的实用化。现有无位移传感器检测技术都是基于电机绕组自感变化或互感变化的，有通过绕制在定子齿上的附加探测线圈测量出包含转子位移信号的差动电压信号来辨识转子位移，也有从悬浮控制绕组功率变换器的开关信号中提取转子位移信息的，还有利用高频电压注入法在悬浮控制绕组中施加高频激励来获取转子位移信号的。现有的无位移传感器技术的研究尚处于起步阶段，所提取的转子位移信号还未能满足工业实际应用。