无轴承电机是一种集磁轴承技术与传统电机于一体的新型高性能电机,具有无摩擦磨损、无需润滑、高速度、高精度、寿命长等优点,在精密加工、飞轮储能、航空航天、超洁净传输等领域具有广阔的应用前景。无轴承同步磁阻电机(Bearingless Synchronous Reluctance Motor,BSRM)的转子上无永磁体和励磁绕组,在具备无轴承电机上述优点的同时,还具有结构简单、成本低、温升低等特点,受到了国内外学者的广泛关注,成为电力传动领域的研究热点。本文对无轴承同步磁阻电机的运行机理、数学模型、电磁分析、结构优化、运行控制、数字系统等方面展开了理论和应用研究,设计了新型结构的无轴承同步磁阻电机,优化设计了转子结构和参数,建立了悬浮力和转矩子系统数学模型,提出了精确反馈线性化解耦控制和非线性二阶滑模直接控制方法,设计了无轴承同步磁阻电机数字控制系统,开展了相关的实验研究。论文主要工作及取得成果如下:(1)分析了传统同步磁阻电机的结构和工作原理,研究了无轴承同步磁阻电机转子径向悬浮力的产生机理,确定了二自由度无轴承同步磁阻电机的实现方案;基于电磁场理论,建立了无轴承电机静止坐标系和旋转坐标系下的电感矩阵解析模型;基于虚位移原理,建立了无轴承电机的径向悬浮力通用数学模型;根据无轴承同步磁阻电机的特点,建立了无轴承同步磁阻电机的悬浮力数学模型和转矩子系统数学模型;采用有限元分析验证了无轴承同步磁阻电机径向悬浮力的产生原理和径向悬浮力数学模型的正确性。(2)针对凸极转子无轴承同步磁阻电机转矩脉动大、输出转矩低等缺陷,提出了径向叠片式多磁障转子结构的新型无轴承同步磁阻电机。优化设计了转子磁障层数、磁障厚度、导磁条厚度等主要的结构参数;建立了有限元仿真模型,开展了悬浮力和转矩的仿真研究,研究结果表明新型无轴承同步磁阻电机与传统凸极转子无轴承同步磁阻电机相比,具有转矩脉动小、输出转矩大等优点。(3)针对无轴承同步磁阻电机电磁转矩和径向悬浮力之间的强耦合问题,提出了精确反馈线性化解耦控制策略。将无轴承同步磁阻电机的数学模型表达为仿射非线性形式,基于微分几何理论证明了无轴承同步磁阻电机模型满足精确反馈线性化的充要条件;推导了坐标变换矩阵和状态反馈控制律,实现了无轴承同步磁阻电机非线性系统的精确反馈线性化,将原系统线性化并解耦为三个独立的线性子系统。仿真结果表明微分几何精确反馈线性化方法实现了无轴承同步磁阻电机电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制,系统具有良好的动、静态性能。(4)针对无轴承同步磁阻电机磁饱和、负载扰动、模型参数时变、未建模动态等不确定因素的影响,提出了无轴承同步磁阻电机非线性系统的二阶滑模直接控制方法,开展了相关的仿真研究。设计了无轴承同步磁阻电机转速子系统的一阶滑模控制律和径向位移子系统的二阶滑模控制律,形成无轴承同步磁阻电机的非线性二阶滑模直接控制方法,使得无轴承同步磁阻电机转速在有限时间内跟踪到给定转速,电机转子在有限时间内稳定到中心位置。仿真结果表明,出现负载变化和外部强干扰时,电机转速和径向位移动态响应快,超调小,具有跟踪能力好、鲁棒性强等优点。(5)设计和开发了基于TMS320F28335的无轴承同步磁阻电机数字控制系统,开展了相关的实验研究。基于数字信号处理器TMS320F28335,分析和研究了DSP控制、功率驱动、参数检测等系统功能模块的实现方法与技术,设计了无轴承同步磁阻电机数字控制系统的硬件与软件。进行了无轴承同步磁阻电机起动、干扰等悬浮运行实验研究。实验结果表明,数字控制系统可以实现无轴承同步磁阻电机的稳定悬浮和运转,系统具有优良的动、静态特性。