电磁轴承系统集成化技术的研究

发布时间：2020-07-07 09:28

【摘要】： 电磁轴承集成技术是目前磁轴承高速电机领域研究的热点。该技术对于提高系统的可靠性、减小转子轴向长度和体积，改善高速电机的动态性能具有独特的作用。本文以电磁轴承系统集成化技术为研究重点，包括将轴向和径向磁轴承功能结合为一体的集成磁轴承、将径向磁轴承和异步电机集成在一起的无轴承异步电机、新型开关功率放大器的研制以及控制系统H_∞鲁棒控制策略等研究。主要作了以下几个方面开创性的工作： 研究了一种高效紧凑的新型永磁偏置轴向径向磁轴承。利用等效磁路法建立了该磁轴承的磁悬浮力数学模型，依据此数学模型分析了径向和轴向磁悬浮力之间的非线性耦合关系，得出在转子平衡位置附近，径向和轴向悬浮力是解耦的结论，从而为控制带来了极大的方便。在以上分析的基础上，推出磁悬浮力的线性化方程，计算了电流刚度和位移刚度，同时提出了这种磁轴承的性能指标公式，为该磁轴承的设计提供了理论依据。对该新型磁轴承进行了ANSYS有限元仿真，很好地验证了磁悬浮机理和数学模型的正确性。实验进一步验证了永磁偏置轴向径向磁轴承的工作原理和优良的动态性能。在永磁偏置轴向径向磁轴承的基础上首次提出了一种永磁偏置径向磁轴承，研究了该磁轴承的数学模型，并对其进行了实验验证。 在阐明无轴承异步电机基本工作原理的基础上，详细推导了适用于矢量控制的磁悬浮力数学模型，为无轴承异步电机的气隙磁场定向控制奠定了坚实的基础。首次运用有限元方法对该电机进行了深入的研究，充分展现了无轴承异步电机特有的气隙磁场分布、验证了稳定磁悬浮力产生的条件、指出了磁饱和对磁悬浮力的影响、利用有限元方法修正了磁悬浮力数学模型。 研究了由无轴承异步电机和永磁偏置轴向径向磁轴承构成的新型五自由度磁悬浮系统。阐述了无轴承异步电机的气隙磁场定向控制策略，采用该非线性控制方法能使无轴承异步电机解耦成转矩子系统和磁悬浮径向力子系统，从而可以采用经典PID对这两个独立的子系统进行控制，首次实现了系统在0～3000rpm转速范围内的稳定悬浮。 提出一种五自由度悬浮磁轴承电机系统(由永磁偏置轴向径向磁轴承、永磁偏置径向磁轴承、高速永磁同步电机共同构成)。首次将H_∞鲁棒控制策略应用于集成化磁轴承系统，详细论述了H_∞控制器的设计过程，并与经典PID控制策略进行了比较，表明了H_∞控制器优良的抗干扰能力和稳定的鲁棒性。 针对磁轴承系统对开关功率放大器的要求，首次提出并实现了一种具有高带宽和低纹波电流的开关功率放大器——电流模式控制三态开关功率放大器，详细阐述了其 南京航空航天大学博士学位论文 工作原理和设计过程，给出了实验波形和分析。从降低系统成本和提高可靠性的角度， 提出了一种采用空间电压矢量控制的开关功率放大器，对其进行了仿真研究，指出了 这种功放的应用前景。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TH133.3
【图文】：

型五自由度磁悬浮高速电机系统。2.2永磁偏置轴向径向磁轴承的结构及工作原理新颖永磁偏置轴向径向磁轴承的结构原理如图2一2所示，由径向定子、外轴向气隙卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜一一一一一，JJJ...............目目阵阵阵阵阵阵阵阵阵阵三李李lllllllllllllllllll—~~~~~~~lll————————以以以以以以以以以以以以以以，，，.111111111111111瀚瀚~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~径向气隙图2一2永磁偏置轴向径向磁轴承结构示意图部磁极铁心(也叫轴向定子)、轴向控制线圈、径向控制线圈、环形永磁体等构成。图2一3所示的是轴向、径向定子和环形永磁体三维结构。图2一4所示的是径向和轴向控制线圈的空间结构。这种磁轴承利用一个径向充磁的环形永磁体来同时产生轴向和径向气隙偏置磁通，采用单极性结构使偏置磁场在径向和轴向磁极都是单一极性，从而使偏置磁通通过径向气隙流入(出)转子，同时通过轴向气隙流出(入)转子，消除了转子旋转时径向和轴向气隙中的磁极性变化

臀越篓篓篓.....一‘~~~~~匡匡奎鑫鑫鑫堕堕区区区区区区区区图2一19磁力线分布图〔.人0.，一l，，。.1，，轴自气陈，一0，4径向气旅‘怡习盆.抽向气肺/‘。5.，\\:.二匀.3.‘侧知图翻翻派之一‘01工一日石‘l工二0

粕向控制线圈电流(幻转子袖同位移(.)图2一21磁悬浮力的理论计算值和有限元仿真值比较2.7.2三维电磁场的有限元仿真上一节提出的磁轴承二维有限元模型并不能仿真径向控制线圈通电和径向位移发生改变时的磁场分布的变化，因此必须采用三维电磁场有限元模型。图2一22是磁轴承三维有限元模型的网格剖分图，由于三维有限元的计算极为耗时，本文计算时没有考虑磁性材料的非线性特性，而且三维仿真的目的主要是考察是否达到设计指标、磁路分布是否合理。图2一22三维模型网格剖分图图2一23仿真了磁轴承在只有一个径向自由度的控制线圈通电时的磁场分布(用表示磁密大小和方向的空间矢量描述)。可以看出，在这一受控自由度转子一侧径向气隙磁密减少，对应的另一侧径向气隙磁密增加，从而产生磁悬浮力，而此时另一个径向自由度的两个径向气隙磁密基本是相等的，那么就不产生磁悬浮力。由此可知，两个径向自由度之间不存在交叉祸合。图2一24显示了两个径

【引证文献】

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本文编号：2744956