无轴承同步磁阻电机原理及关键技术

无轴承电机研究和应用前景一、无轴承电机起源及发展在费拉里斯和特斯拉发明多相交流系统后，19世纪80年代中期，多沃罗沃尔斯基发明了三相异步电机，异步电机无需电刷和换向器，但长期高速运行，轴承维护保养仍是难题。

二次世界大战后，直流磁轴承技术的发展，使得电机和传动系统无接触运行成为可能，但这种传动系统造价很高，因为铁磁性物体不可能在一个恒定磁场中稳定悬浮。

主动磁轴承的发明，解决了这个难题，但用主动磁轴承支承刚性转子要在5个自由度上施加控制力，磁轴承体积大、结构复杂和造价高。

20世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需要用超高速离心分离方法生产浓缩铀，磁轴承能满足高速电机支撑要求，于是在欧洲开始了研究各种磁轴承计划。

1975年，赫尔曼申请了无轴承电机专利，专利中提出了电机绕组极对数和磁轴承绕组极对数的关系为±1。

用赫尔曼提出的方案，在那个年代是不可能制造出无轴承电机的。

随着磁性材料磁性能进一步提高，为永磁同步电机奠定了有力竞争地位。

同时，随着双极晶体管的应用，以及和柏林格尔提出的无损开关电路结合，能够制造出满足无轴承电机要求的新一代高性能功率放大器。

大约在1985年，具有快速和负载能力的功率开关器件和数字信号处理器的出现，使得已经提出20多年的交流电机矢量控制技术才得以实际应用，这样解决了无轴承电机数字控制的难题。

瑞士苏黎世联邦工学院的比克尔在这些科技进步的基础上，于20世纪80年代后期才首次制造出无轴承电机。

几乎与比克尔同时，1990年日本a.chiba首次实现磁阻电机的无轴承技术。

1993年，苏黎世联邦工学院的r.schoeb首次实现交流电机的无轴承技术。

无轴承电机取得实际应用，关键性突破是1998年苏黎世联邦工学院的巴莱塔研制出无轴承永磁同步薄片电机，电机结构简单，大大降低了控制系统费用，在很多领域具有很大应用价值。

2000年，苏黎世联邦工学院的s.sliber研制出无轴承单相电机，再一次在无轴承电机研究历史上前进了一步，降低了控制系统的费用，使得无轴承电机实际应用不仅仅是可想的，而且是经济的。

同步磁阻电机原理同步磁阻电机是一种新型的电机，它具有高效、高精度、高可靠性等优点，被广泛应用于各种工业领域。

本文将介绍同步磁阻电机的原理、结构、特点及应用。

一、原理同步磁阻电机是一种基于同步电机理论的新型电机。

同步电机是指转子与电网同步旋转的电机，它的转速与电网的频率和极数有关。

同步磁阻电机的原理是利用磁阻转矩来驱动转子旋转。

在同步磁阻电机中，转子上有一些铁芯柱，这些铁芯柱之间被绕上了一些线圈。

当电流通过这些线圈时，会产生磁场，磁场会使得铁芯柱受到磁力作用，从而产生磁阻转矩，驱动转子旋转。

同步磁阻电机的原理与传统的感应电机有所不同。

传统的感应电机是利用旋转磁场感应电动势来驱动转子旋转的，而同步磁阻电机则是利用磁阻转矩来驱动转子旋转的。

因此，同步磁阻电机具有高效、高精度、高可靠性等优点。

二、结构同步磁阻电机的结构与传统的电机有些不同。

它的转子上有一些铁芯柱，这些铁芯柱之间被绕上了一些线圈。

转子与定子之间的间隙非常小，一般在0.1mm以下。

这是为了减小磁阻转矩的损失，提高电机的效率。

同步磁阻电机的定子上有一些绕组，这些绕组被分成若干个相位，每个相位上有若干个线圈。

当电流通过定子上的线圈时，会产生旋转磁场，这个旋转磁场会与转子上的磁场相互作用，从而产生磁阻转矩，驱动转子旋转。

三、特点同步磁阻电机具有以下特点：1、高效：同步磁阻电机的效率比传统的感应电机高很多，可以达到90%以上。

2、高精度：同步磁阻电机的转速精度非常高，一般可以达到0.1%以下。

3、高可靠性：同步磁阻电机的结构简单，没有传统电机的转子绕组，因此故障率比传统电机低很多。

4、宽工作范围：同步磁阻电机的工作范围非常宽，可以在低速、高速、大负载等不同工况下工作。

四、应用同步磁阻电机被广泛应用于各种工业领域，如机床、风力发电、电动汽车、轨道交通等。

下面分别介绍一下它在这些领域的应用。

1、机床：同步磁阻电机在机床上的应用非常广泛，可以用于驱动主轴、进给轴、伺服系统等。

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。

同步磁阻电机及其控制技术的发展和应用摘要:本文简单介绍了同步磁阻电机（SynRM)的运行原理。

追溯同步磁阻电机的发展历史，总结了同步磁阻电机的结构和运行特点。

根据同步磁阻电机的特点结合目前国内外研究现状讨论了同步磁阻电机现有的几种高性能控制方法.最后根据同步磁阻电机当前的研究进展结合其取得的优越性能介绍了其在电动汽车和高速发电等领域的应用.关键词:同步磁阻电机1同步磁阻电机的原理SynRM 运行原理与传统的交、直流电动机有着根本的区别，它不像传统电动机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场相互作用形成转矩,而遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩。

SynRM 在dq 轴系下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程为：电压方程：（1）磁链方程：（2)电磁转矩方程：(3）Ld、Lq为绕组d、q轴电感;Rs为定子绕组相电阻；ωr为转子电角速度;为定子d、q 轴磁链，为电机极对数;β为电流综合矢量与d轴之间的夹角[1]。

2同步磁阻电机的发展历史早在二十世纪二十年代Kostko J K等人提出了反应式同步电机理论［2］，M．Doherty 和Nickle 教授提出磁阻电机的概念，此后国外关于许多专家和学者对同步磁阻电机的的能、转子结构和控制方法进行较深入研究。

早期的同步磁阻电机由一个无绕组凸级转子和一个与异步电机类似的定子组成。

在转子轭q轴方向加上两道气隙，以增加q 轴磁阻。

利用d -q 轴的磁阻差来产生磁阻转矩。

转子周边插上鼠笼条以产生异步起动转矩。

然而，由于该异步转矩的作用, 又将引起转子震荡而难以保证电机正常运行。

六十年代初, 出现了第二代同步磁阻电机它利用块状转子结构来增加d-q 轴磁阻差，同时不用鼠笼条来起动转矩, 而直接靠逆变器变频来起动，从而减轻了转子震荡现象[3]。

然而, 为产生足够的磁阻转矩, 需要定子侧有较大的励磁电流, 致使该电机功率因素和效率都很低，从而影响了该种电机的推广使用。

永磁同步磁阻电机永磁同步磁阻电机是一种新型的电机，它将永磁同步电机和磁阻电机的优点结合在一起，具有高效、高性能和高可靠性等优点。

本文将对永磁同步磁阻电机的原理、结构和应用进行详细介绍。

一、永磁同步磁阻电机的原理永磁同步磁阻电机是一种永磁同步电机，它采用了磁阻转子结构。

磁阻转子是由非磁性材料制成的，其内部有许多槽和凸起，形成了磁阻结构。

当电流通过定子线圈时，会产生旋转磁场，磁场会作用于磁阻转子上，使其发生磁阻转动，从而带动转子旋转。

永磁同步磁阻电机的转矩主要是由磁阻转子和永磁体提供的磁场共同作用产生的。

当磁阻转子和定子磁场相互作用时，会产生转矩，从而带动转子旋转。

而永磁体提供的磁场则能够增强电机的磁场强度，提高电机的效率和性能。

二、永磁同步磁阻电机的结构永磁同步磁阻电机的结构与永磁同步电机和磁阻电机类似，但它们之间还是有一些不同的。

永磁同步磁阻电机的转子是由磁阻材料制成的，而永磁体则是固定在转子上的。

定子和转子的结构都比较简单，没有复杂的绕组和铁芯。

永磁同步磁阻电机的定子和转子都是由非磁性材料制成的，因此它们的制造工艺比较简单，成本也比较低。

另外，由于它们的结构简单，所以电机的体积和重量都比较小，适合于安装在空间有限的场合。

三、永磁同步磁阻电机的应用永磁同步磁阻电机具有高效、高性能和高可靠性等优点，因此在许多领域都有着广泛的应用。

主要应用于以下几个方面：1、工业自动化领域：永磁同步磁阻电机可以用于各种工业自动化设备中，如数控机床、智能机器人、自动化生产线等。

2、航空航天领域：永磁同步磁阻电机可以用于飞机和卫星等航空航天设备中，如定位控制系统、导航系统等。

3、交通运输领域：永磁同步磁阻电机可以用于各种交通运输设备中，如高速列车、城市轨道交通、电动汽车等。

4、家电领域：永磁同步磁阻电机可以用于各种家电产品中，如洗衣机、空调、冰箱等。

四、永磁同步磁阻电机的优点永磁同步磁阻电机具有以下几个优点：1、高效性：由于永磁同步磁阻电机采用了磁阻转子和永磁体的结构，因此它具有较高的效率和功率因数，能够节约能源和降低能源消耗。

同步磁阻电机无位置控制方法解释说明以及概述1. 引言1.1 概述同步磁阻电机是一种在工业和家庭应用中广泛使用的电机，具有高效率、低噪音和可靠性等优点。

然而，在传统的同步磁阻电机位置控制方法中，需要准确测量电机转子的位置信息，这增加了系统复杂度和成本。

为了解决这个问题，无位置控制方法应运而生。

1.2 文章结构本文将首先介绍同步磁阻电机的基础知识，包括电机结构、工作原理和特点等。

然后，分析传统的同步磁阻电机位置控制方法及其存在的问题。

接下来，详细介绍无位置控制方法，并着重讲解实施这种方法所涉及的关键技术，包括磁场观测与定位算法、控制器设计和参数调节策略以及反馈系统构建与优化技巧。

随后，通过实验结果分析与讨论验证所提出的无位置控制方法的有效性，并展望其在实际应用领域中的前景。

最后，总结文章主要研究结论，并提出存在问题改进方向和未来研究重点建议。

1.3 目的本文的目的是提出一种同步磁阻电机无位置控制方法，通过对电机内部磁场的观测和定位算法，以及优化反馈系统和控制器设计，实现精准控制而无需测量电机转子位置信息。

这将降低系统成本和复杂度，并提高同步磁阻电机在各个领域中的应用性能以及工作效率。

同时，通过实验结果分析与讨论来验证所提出方法的有效性，并对其在实际应用中的前景进行展望。

2. 同步磁阻电机无位置控制方法解释说明：2.1 同步磁阻电机基础知识同步磁阻电机是一种特殊的交流电机，其运行原理是通过定子和转子之间的磁场相互作用来实现能量转换。

与传统的感应电机相比，同步磁阻电机具有更高的效率、较低的噪音和振动以及更好的动态响应性能。

2.2 传统的同步磁阻电机位置控制方法传统的同步磁阻电机位置控制方法主要基于对转子位置进行监测和反馈控制。

通常使用编码器等位置传感器来获取转子位置信息，并通过PID控制算法来实现精确控制。

然而，这种传统方法依赖于精确的位置测量，并且在某些应用中可能存在复杂性和成本方面的限制。

2.3 无位置控制方法介绍无位置控制是一种与传统方法不同的控制策略，它不需要直接监测和反馈转子位置信息。

同步磁阻电机特点概述说明以及解释1. 引言1.1 概述同步磁阻电机是一种特殊的交流电机，通过利用磁阻转子与定子之间的磁力来实现同步运转。

与传统的感应电机相比，同步磁阻电机具有许多独特的特点和优势。

本文将对同步磁阻电机的特点进行概述、说明以及解释，并探讨其在各个领域的应用。

1.2 文章结构本文分为五个部分：引言、同步磁阻电机特点、同步磁阻电机的应用领域、同步磁阻电机与其他类型电机的比较以及结论。

首先，引言部分将介绍整篇文章的目标和结构。

接下来，我们将详细介绍同步磁阻电机的特点，包括其定义、工作原理和关键技术指标。

然后，在第三部分中，我们将探讨同步磁阻电机在工业应用、家电领域以及其他领域中的广泛应用情况。

第四部分将对同步磁阻电机与其他常见类型电机进行比较，并分析其优势和劣势。

最后，在第五部分中，我们将总结同步磁阻电机的特点和应用价值，并展望未来的发展方向和趋势。

通过这样的结构安排，读者能够全面了解同步磁阻电机的相关知识。

1.3 目的本文旨在提供对同步磁阻电机特点进行概述、说明和解释的全面介绍。

通过深入剖析其工作原理和关键技术指标，我们将帮助读者更好地理解同步磁阻电机的基本原理。

此外，我们还将探讨同步磁阻电机在不同领域中的应用情况，并与其他类型电机进行比较，为读者提供选择适当电机类型时的指南。

最终，我们将总结同步磁阻电机特点和应用价值，并探讨未来该技术发展的方向和趋势。

2. 同步磁阻电机特点：2.1 什么是同步磁阻电机：同步磁阻电机是一种利用磁场同步原理工作的电动机。

它由定子和转子两部分组成，通过施加三相交流电源来产生旋转磁场，使得转子跟随着这个旋转磁场进行运动。

2.2 特点说明：同步磁阻电机具有以下几个显著的特点：1) 高效率：同步磁阻电机在设计和制造过程中充分考虑了能量损耗的问题，采用了优化的结构和材料，从而具有较高的能量转换效率。

相比较传统的感应电机而言，在相同功率输出时，同步磁阻电机通常能够实现更高的效率。

. . . .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。