《軸向主動懸浮的三自由度無軸承永磁電機基礎研究》是依託上海大學，由仇志堅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：軸向主動懸浮的三自由度無軸承永磁電機基礎研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：仇志堅
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
無軸承電機是將軸承支撐與轉矩輸出功能集成於一體的新型電機，是高速電機研究領域的重大突破。其中永磁型無軸承電機因其功率密度大、懸浮功耗比小、效率高和體積小等優勢而受到廣泛重視。由於傳統無軸承電機一般只能實現兩自由度的主動懸浮，在構造五自由度全懸浮的磁懸浮電機系統時，需要額外附加軸向磁軸承，因此系統體積較大，軸向利用率低。本項目研究中首次提出一種採用交替極永磁電機來實現軸向與徑向懸浮均主動控制的新型磁懸浮電機結構，電機構造更為緊湊，功能更趨完善。其中為解決三自由度主動懸浮中軸向與徑向懸浮之間、轉矩控制與懸浮控制之間的耦合性難題，採用解析法和場-路結合的方法建立軸徑向懸浮與轉矩的數學模型，並利用三維電磁場有限元仿真分析耦合性問題，最佳化電機本體設計，進而從控制的角度實現三者解耦。本項目研究將為無軸承電機在高速驅動領域的實用化奠定良好的基礎，對我國在此領域實現自主創新和趕超世界先進水平具有重要意義。
結題摘要
無軸承電機利用磁軸承和電機結構的相似性，將轉矩輸出功能和懸浮功能集成於一體，不僅繼承了磁軸承無接觸、無潤滑、無磨損、無機械噪聲等特點，也解決了磁軸承電機體積過大的問題，為電機驅動高速化領域開闢了新的發展方向。 相較於其他類型無軸承電機，永磁型無軸承電機具有功率密度大、壽命長、效率高和體積小等特點，在飛輪儲能、渦輪分子泵、高速離心機以及航空航天等領域更具實用化優勢，已成為電機驅動高速化研究領域的熱點之一。 然而目前單個的無軸承永磁電機一般只能實現徑向兩個自由度的懸浮，能夠實現轉子三自由度穩定懸浮的磁懸浮機構均存在較多缺陷。本項目提出了一種能夠實現徑向和軸向三個自由度主動控制懸浮的新型無軸承電機結構，該新型無軸承電機集成度更高，進一步提高了軸向空間利用率，更易於實現大功率超高速運轉；並且採用交替極結構的無軸承電機實現徑向懸浮，具備固有的懸浮控制與轉矩控制解耦特性，懸浮控制模型簡單，大大降低了控制系統設計難度。 本項目著眼於積極推動永磁電機無軸承技術在高速離心泵、風機、主軸電機、飛輪貯能等領域的實用化，以從電機本體的角度實現簡化無軸承電機系統的機械結構，降低整個系統體積與成本為研究目標而開展的基礎研究，主要完成了以下研究工作： (1)掌握和完善了無軸承交替極電機的工作原理和基本理論，初步建立了三自由度無軸承永磁電機的徑向和軸向懸浮的數學模型，構建了基於MATLAB/SIMULINK的轉矩控制和軸/徑向懸浮控制子系統的仿真模型，仿真結果驗證了理論和控制算法的正確性。 (2)利用數值解析法，建立了無軸承交替極永磁電機空載氣隙磁場的全局解析模型。運用解析法求解出的空載氣隙磁場結果與有限元分析結果對比顯示，解析法獲得的氣隙磁密波形與有限元法波形較吻合，驗證了全局解析模型的正確性和可靠性。同時基於攝動法推導並求解偏心情況下的無軸承交替極電機解析模型，氣隙磁通密度的解析結果與有限元結果相吻合，證明了偏心模型的正確性和有效性。 (3)完成了三套基於功率集成模組（IPM）和MOSFET的轉矩控制、徑向懸浮控制、軸向懸浮控制功率系統的硬體設計與調試；完成了三套基於DSP的數字控制系統硬體設計與調試，為整個控制系統硬體的順利集成和調試打下堅實基礎。 (4)完成了一台三自由度懸浮無軸承永磁電機實驗樣機的設計、製作與安裝調試，並完成了電機轉矩控制與徑向與軸向單個自由度的懸浮控制實驗
