以三机一泵(鼓风机、通风机、压缩机和泵)为代表的流体机械在国民经济的各个领域起着重要作用,同时又是能耗最多的通用机械之一,约消耗全国总发电量的40%。采用高速直驱式的结构能大幅提高流体机械的效率。以鼓风机为例,传统的罗茨鼓风机和多级低速离心风机效率低、能耗大,已不再适应当前的发展需要。较为先进的单级高速离心式鼓风机虽然效率较高,但是通常需要增速设备。而由增速设备造成的损耗高达整机功率的10%。若使用磁悬浮轴承和高速电机,便可以采用直驱式结构将风机叶轮直接安装在电机轴上,消除了增速设备的损耗。在此直驱式结构的基础上使用高速永磁同步电机,可使整机效率进一步提高2~8个百分点。这对于提升我国风机类流体机械的水平以及建设节约型社会、提倡低碳环保的国家政策都具有重要意义。文中对此直驱式结构的核心部件磁悬浮轴承、高速永磁同步电机的若干关键技术进行了研究。首先,文中针对永磁同步电机在传统的恒压频比(V/F)方法控制下调速性能不佳且有较大无功电流的实际情况,提出了两种基于假定旋转坐标的无传感器矢量控制方法。第一种方法将状态观测器与假定旋转坐标相结合,通过状态观测器来估计转子反电势在假定旋转坐标系上的分量,从而间接得到转子位置信息,再通过转速、电流双闭环控制使电机工作在id=0(励磁电流分量为零)的状态。第二种方法则是根据永磁电机在假定旋转坐标系下的电压方程,通过实际状态与理想状态下电流信号的偏差来调节电机转矩电流,使电机始终工作在较高的效率点。文中首先通过Matlab/Simulink对控制方法进行仿真研究,并在小功率永磁伺服电机上进行了验证试验。仿真与试验证明文中提出的两种控制方法均能够在没有角度传感器的情况下实现永磁同步电机id=0控制。之后,文中研制了磁悬浮流体机械集成化电控系统,并在额定功率为75k W的磁悬浮高速离心式鼓风机上进行了试验研究,试验结果证明控制方法在中大功率的高速永磁同步电机上同样适用。此外,对比试验表明在27000r/min的转速以及相同的负载条件下,相对于V/F控制,文中提出的控制方法有效的减少定子铜耗230.6W。针对传统主动磁悬浮轴承能耗较大的缺点,文中研究了一种六极异极性永磁偏置磁悬浮轴承。该磁悬浮轴承采用永磁偏置,并使用三相全桥式功放。相对于传统主动磁悬浮轴承减小了定子铜耗以及功率放大器的开关损耗。文中根据等效磁路法以及坐标变换原理推导了该磁悬浮轴承悬浮力的数学模型,并提出了根据各方向最小承载力最大来设计该磁悬浮轴承偏置磁场的原则。文中设计制造了该六极磁悬浮轴承的原理样机,并进行了试验研究,试验表明该磁悬浮轴承能够实现磁悬浮转子的稳定悬浮以及高速旋转,并且有良好的静动态性能。此外,文中将该磁悬浮轴与相同尺寸的传统主动磁悬浮轴承进行了对比试验,试验结果表明支承一个重量为2.2kg转子,单个径向六极异极性磁悬浮轴承的能耗仅为全电磁主动磁悬浮轴承的9.85%。设计新型高效的高速电机是提升磁悬浮流体机械效率最有效的途径之一,而为了验证设计,需要对高速电机进行效率测试。但是由于电机转速过高且功率较大,此类高速电机缺乏合适的加载设备,使得高速电机效率测试成为了一个难题。针对中大功率高速永磁同步电机在效率测试中缺乏合适的加载设备以及浪费能源的问题,文中提出了一种无传感器电子内回馈加载方案用于电机效率测试。该方案采用两台相同型号电机对拖的方式,其中一台做被测电机,另一台做陪试电机。文中通过无传感器控制方法将被测电机控制在电动机模式,而使陪试电机工作在发电状态。由此,陪试电机向被测电机提供可调节的负载转矩,且在加载过程中,陪试电机发出的电能将回馈给被测电机使用。该方案不仅省去了减速装置,而且节约了能源。文中通过仿真分别验证了被测电机与陪试电机的控制方法,并讨论了转子初始位置不同对陪试电机控制方法的影响。其后文中使用两台额定功率为75k W的磁悬浮高速永磁同步电机搭建了试验平台,对文中的加载方案进行了试验研究。试验结果表明该方案能够在没有任何角度传感器的情况下,通过陪试电机向被测电机施加负载转矩,且陪试电机发出的电能能够回馈给被测电机使用。相比传统加载方案,整个试验过程节约了近81.31%的电能。