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电机是现代工业生产中最重要的机械设备之一,促进社会生产力的不断提高,其使用寿命、运行性能、生产成本等问题对整个社会生产和经济发展具有重要的影响。无轴承永磁同步电机(bearingless permanent magnet synchronous motor,BPMSM)集成了磁悬浮轴承和永磁同步电机的优点,具有传统电机难以实现和替代的优势,成为特种电气传动领域研究的重要方向。为了改善电机气隙磁密的正弦性,获得较小的转矩脉动和悬浮力脉动,本文提出了永磁体组合磁极式结构。以组合磁极式BPMSM为研究对象,对其悬浮力产生原理进行分析,推导出了数学模型,对转子进行优化设计并提出了预测直接控制策略。1、对组合磁极式BPMSM的基本结构进行了介绍,分析了电机内部的电磁力,包括Lorentz力和Maxwell力。推导出了转子偏移状态下组合磁极式BPMSM的数学模型,并给出了转子运动数学模型。介绍了五自由度的组合磁极式BPMSM机械结构,构建了电机系统的控制框图,为进一步研究奠定了基础。2、建立了组合磁极式BPMSM的有限元模型,为了提高优化设计的效率,提出了高效的优化设计方法Taguchi法。基于有限元分析,以减小转矩脉动和悬浮力脉动为目标,对永磁体厚度,转子磁极所占转子极距的比例,高剩磁材料占组合磁极比例和磁极材料进行了优化设计,得到转子模型。最后对优化后的组合磁极式BPMSM的径向悬浮力进行了分析,在此基础上,为了验证优化的效果,将单一磁极与组合磁极的BPMSM性能进行了对比分析,验证了所设计电机性能的优越性。3、为了解决传统直接控制中采样时间延迟的问题,提出加入预测控制算法模型。介绍了预测控制的基本原理,推导了预测直接控制算法的数学模型,并进行了延迟时间的补偿,在此基础上建立了预测直接控制系统,在仿真软件中搭建了仿真模型。仿真分析表明,与传统的直接控制相比,所提出的预测直接控制策略减少了BPMSM的磁链、转矩和悬浮力的波动,在电机的转速发生变化或者受到扰动时,电机经过短暂调整后,可以更快地恢复稳定悬浮和运转。4、以组合磁极式BPMSM的工作原理和提出的控制策略为基础,对控制系统进行了软硬件设计,其中硬件电路包括DSP2812最小系统板、功率驱动板、接口电路板等硬件模块,软件部分包括转矩中断服务程序,悬浮力中断服务程序以及人机交互程序设计方案。在此实验平台的基础上进行了调试实验。