軸向主動懸浮的三自由度無軸承永磁電機基礎(chǔ)研究結(jié)題摘要

無軸承電機利用磁軸承和電機結(jié)構(gòu)的相似性，將轉(zhuǎn)矩輸出功能和懸浮功能集成于一體，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(qū)動高速化領(lǐng)域開辟了新的發(fā)展方向。 相較于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(lǐng)域更具實用化優(yōu)勢，已成為電機驅(qū)動高速化研究領(lǐng)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(xiàn)徑向兩個自由度的懸浮，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子三自由度穩(wěn)定懸浮的磁懸浮機構(gòu)均存在較多缺陷。本項目提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)，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，更易于實現(xiàn)大功率超高速運轉(zhuǎn)；并且采用交替極結(jié)構(gòu)的無軸承電機實現(xiàn)徑向懸浮，具備固有的懸浮控制與轉(zhuǎn)矩控制解耦特性，懸浮控制模型簡單，大大降低了控制系統(tǒng)設(shè)計難度。 本項目著眼于積極推動永磁電機無軸承技術(shù)在高速離心泵、風(fēng)機、主軸電機、飛輪貯能等領(lǐng)域的實用化，以從電機本體的角度實現(xiàn)簡化無軸承電機系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，降低整個系統(tǒng)體積與成本為研究目標(biāo)而開展的基礎(chǔ)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(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了基于MATLAB/SIMULINK的轉(zhuǎn)矩控制和軸/徑向懸浮控制子系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果驗證了理論和控制算法的正確性。 (2)利用數(shù)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(jié)果與有限元分析結(jié)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。同時基于攝動法推導(dǎo)并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(jié)果與有限元結(jié)果相吻合，證明了偏心模型的正確性和有效性。 (3)完成了三套基于功率集成模塊（IPM）和MOSFET的轉(zhuǎn)矩控制、徑向懸浮控制、軸向懸浮控制功率系統(tǒng)的硬件設(shè)計與調(diào)試；完成了三套基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與調(diào)試，為整個控制系統(tǒng)硬件的順利集成和調(diào)試打下堅實基礎(chǔ)。 (4)完成了一臺三自由度懸浮無軸承永磁電機實驗樣機的設(shè)計、制作與安裝調(diào)試，并完成了電機轉(zhuǎn)矩控制與徑向與軸向單個自由度的懸浮控制實驗 2100433B

無軸承電機是將軸承支撐與轉(zhuǎn)矩輸出功能集成于一體的新型電機，是高速電機研究領(lǐng)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(yōu)勢而受到廣泛重視。由于傳統(tǒng)無軸承電機一般只能實現(xiàn)兩自由度的主動懸浮，在構(gòu)造五自由度全懸浮的磁懸浮電機系統(tǒng)時，需要額外附加軸向磁軸承，因此系統(tǒng)體積較大，軸向利用率低。本項目研究中首次提出一種采用交替極永磁電機來實現(xiàn)軸向與徑向懸浮均主動控制的新型磁懸浮電機結(jié)構(gòu)，電機構(gòu)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(zhuǎn)矩控制與懸浮控制之間的耦合性難題，采用解析法和場-路結(jié)合的方法建立軸徑向懸浮與轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型，并利用三維電磁場有限元仿真分析耦合性問題，優(yōu)化電機本體設(shè)計，進而從控制的角度實現(xiàn)三者解耦。本項目研究將為無軸承電機在高速驅(qū)動領(lǐng)域的實用化奠定良好的基礎(chǔ)，對我國在此領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主創(chuàng)新和趕超世界先進水平具有重要意義。

基于磁懸浮技術(shù)、電機技術(shù)及機器人關(guān)節(jié)技術(shù)，提出并研制一種多自由度磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)。從理論上分析磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)既產(chǎn)生支承球形關(guān)節(jié)的徑向懸浮磁力，同時又產(chǎn)生驅(qū)動球形關(guān)節(jié)多自由度轉(zhuǎn)動的切向磁轉(zhuǎn)矩的工作機理。推導(dǎo)磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)產(chǎn)生的徑向懸浮力和任意自由度方向的切向磁轉(zhuǎn)矩公式，并通過簡易的模型實驗對關(guān)節(jié)進行穩(wěn)定懸浮和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的實驗驗證。用有限元法分析方法計算磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)磁場各參數(shù)的分布規(guī)律和磁場間的耦合關(guān)系，對磁路結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，設(shè)計主動關(guān)節(jié)的本體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本體結(jié)構(gòu)的特點，用空間轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析方法建立磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)的動力學(xué)耦合模型，設(shè)計系統(tǒng)的自檢測解耦控制系統(tǒng)并進行系統(tǒng)仿真優(yōu)化，為磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的原理論證和設(shè)計計算提供依據(jù)。最終制造出本體樣機，根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計和構(gòu)建自檢測解耦控制系統(tǒng)，并進行磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的實驗。

飛輪蓄能發(fā)電設(shè)備的旋轉(zhuǎn)摩擦損耗較大，為了減少旋轉(zhuǎn)摩擦損耗，所以一般都采用磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。磁軸承根據(jù)磁場性質(zhì)的不同主要分為被動磁懸浮軸承(PMB)和主動磁懸

浮軸承(AMB)兩種：

(a)被動磁懸浮軸承

被動磁懸浮軸承有代表性的是高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承。無源磁懸浮軸承磁場通常是不可控的。傳統(tǒng)的超導(dǎo)體無法滿足磁軸承的要求，但是自從高溫超導(dǎo)體Y(釔)系發(fā)現(xiàn)以來，制造高溫超導(dǎo)磁軸承成為可能。永久磁鐵安裝在飛輪上，高溫超導(dǎo)體安裝在底座上并用液氮冷卻，利用超導(dǎo)體的特性之一的Meissier效應(yīng)(超導(dǎo)抗磁性)。永久磁鐵的磁通被超導(dǎo)體阻擋而產(chǎn)生排斥力，使飛輪處于懸浮狀態(tài)。

(b)主動磁懸浮軸承

主動磁懸浮系統(tǒng)主要是電磁懸浮系統(tǒng)。電磁懸浮軸承系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器、控制系統(tǒng)、功率放大器組合而成。轉(zhuǎn)子位移變化的信號由傳感器測出，傳到控制器中，控制器計算后，輸出信號，經(jīng)過功率放大器的放大，輸入到電磁鐵，產(chǎn)生電磁力，從而保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。

為了解決傳統(tǒng)多自由度關(guān)節(jié)由于傳動鏈長、關(guān)節(jié)摩擦面磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致末端執(zhí)行器的承載能力及系統(tǒng)剛度和效率降低、系統(tǒng)精度下降，以及靜、動態(tài)性能和穩(wěn)定性均變差等問題，本項目基于國家自然科學(xué)基金在國內(nèi)外率先提出并研究磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)。項目研究分別基于磁場理想分布規(guī)律、磁場分割法，以及球諧波理論等，對磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)磁場進行分析，得出了氣隙磁場的解析模型，研究了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)產(chǎn)生電磁懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩的機理，并通過有限元仿真試驗分析，驗證了氣隙磁場及電磁懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩模型的正確性；對不同類型的磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)進行了結(jié)構(gòu)研究，設(shè)計出定子分體式和整體式、磁阻式和感應(yīng)式、正交繞組式和分區(qū)域繞組式等磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)或電機結(jié)構(gòu)，建立了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的三維動力學(xué)耦合模型和逆系統(tǒng)解耦線性化模型，對系統(tǒng)進行了狀態(tài)重構(gòu)的同步懸浮控制和PDF控制研究，提出了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的多種控制驅(qū)動電路方案，設(shè)計了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的檢測控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行性能仿真分析，構(gòu)建了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的實驗臺，通過試驗驗證了理論分析研究結(jié)果的正確性。項目研究取得的成果，將為后期磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的設(shè)計和研究提供可行的理論基礎(chǔ)，并對球形電動機、主動關(guān)節(jié)的發(fā)展以及高速磁懸浮機械的研究，對提高主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)性能 以及多自由度機械系統(tǒng)小型化和微型化均具有十分重要的意義。 2100433B