无轴承永磁同步电机是一种集成了永磁同步电机和磁轴承两者优点的新型电机。该电机既具有永磁同步电机的结构简单、转矩密度高、功率因数高、效率高等优良特性,同时又具有磁轴承的无摩擦、无磨损、无需润滑、免维护、使用寿命长等优点。随着电力电子技术、微处理器技术以及控制理论的迅速发展,使得无轴承永磁同步电机相关理论和应用技术取得长足进步,在飞轮储能、航空航天、医疗器械、化工工业、精密机械加工等领域具有广泛的应用前景。本文在江苏省重点研发计划项目、江苏省“333工程”以及江苏省“青蓝工程”的支持下,对无轴承永磁同步电机的基本原理及数学模型、本体结构设计与分析、控制系统硬件设计、软件设计以及实验等方面进行了较为深入的研究。本论文的主要内容包括:1.阐述了无轴承电机的研究背景与研究概况,总结了无轴承永磁同步电机的发展趋势和应用前景。同时分析了无轴承永磁同步电机内存在的各种电磁力,阐述了无轴承永磁同步电机的运行原理,应用麦克斯韦张量法推导了径向悬浮力的数学模型,此外还推导了电磁转矩的数学模型。借助Ansoft/Maxwell软件建立有限元仿真模型,对无轴承永磁同步电机的径向悬浮力数学模型进行验证,仿真结果验证了数学模型的正确性。最后设计了基于SVPWM的无轴承永磁同步电机转子磁场定向控制的策略,并给出了具体的控制框图。2.在无轴承永磁同步电机的基础上,对其结构进行改进设计,提出一种新型的外转子Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁同步电机,使其能够更好地应用于飞轮储能系统。详细阐述了Halbach阵列永磁转子的结构和性能,同时给出新型无轴承永磁电机的本体结构,详细设计电机本体的参数,对该电机的各种电磁特性进行分析。对多种结构的无轴承永磁同步电机的转子涡流损耗进行有限元分析,分析结果表明外转子Halbach阵列定子无铁心无轴承永磁电机的转子涡流损耗是最小的。仿真结果表明该新型无轴承永磁同步电机非常适合于飞轮储能系统。3.详细设计了无轴承永磁同步电机控制系统的硬件电路,主要包括DSP最小系统板、功率驱动电路以及接口电路等。设计了无轴承永磁同步电机控制系统的软件部分,给出了详细的软件流程图。最后,整合硬件和软件部分构建完整的实验平台,并进行了软硬件部分的测试以及相关的实验研究,实验样机实现了稳定悬浮。