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无轴承永磁同步电机是一种集永磁同步电机和磁轴承功能于一体的新型电机。除了具有永磁同步电机的优点之外,还具有磁轴承的优点,如无摩擦、无需润滑、高速度、高精度、寿命长等一系列优点。无轴承永磁同步电机在生物工程、航空航天、能源交通、半导体制造业以及医药卫生等特殊电气驱动／传动领域具有潜在的应用前景。本文在国家高新技术研究发展计划(863计划)项目“基于无轴承永磁同步电机的机器人伺服驱动系统”(2007AA04Z213)的资助下,针对无轴承永磁同步电机开展理论和试验研究。主要工作如下：
⑴阐述了无轴承永磁同步电机的工作原理以及径向悬浮力产生机理；在分析各部分径向悬浮力数学表达式的基础上,推导了无轴承永磁同步电机径向悬浮力的数学模型；通过分析无轴承永磁同步电机中各部分洛仑兹力的作用,给出了无轴承永磁同步电机的电磁转矩方程,得出无轴承永磁同步电机旋转部分的数学模型。
⑵以转矩绕组极对数PM=1,悬浮力绕组极对数PB=2,额定功率为500W的二自由度无轴承永磁同步电机为研究对象,对无轴承永磁同步电机定子和转子的结构形式和参数进行了设计；采用Matlab软件理论分析得出最佳永磁体厚度和气隙长度；采用ANSYS软件验证了无轴承电机悬浮原理,分析了径向悬浮力与两套绕组电流之间的关系。
⑶在建立电磁转矩和悬浮力数学模型的基础上,针对电磁转矩和可控悬浮力的特点,研究了i1d=0的转子磁场定向的转矩控制策略和转子偏心位移直接控制的悬浮力控制策略。运用Matlab／Simulink构建出仿真系统,并对其进行仿真分析,仿真试验结果表明该控制系统实现了对转子径向位移的直接控制。
⑷基于对转子偏心位移的直接控制策略的分析,应用TMS320LF2407ADSP构建了数字控制系统,设计了控制系统的硬件实验平台,开发了相应的软件流程图。并以二自由度无轴承永磁同步电机为实验对象,对数字控制实验系统进行调试,给出了相关的实验波形,并对实验结果进行了分析。