【优秀作品】 高速磁悬浮开关磁阻电机

马赞宇

大类： 科技发明制作A类
小类： 机械与控制
简介： 本作品将开关磁阻电机和磁轴承有机结合，首次采用双端对称三自由度磁轴承结构，对系统进行综合设计，使电机转子稳定悬浮在定子中央，实现7.5Kw开关磁阻电机35000rpm稳定悬浮运行，线速度达到141m/s。开关磁阻电机摆脱普通机械轴承的束缚，可以达到更高的转速和功率等级，拓宽了开关磁阻电机的应用范围，在多电/全电飞机、起动/发电系统等高速大功率领域具有非常广阔的应用前景。
详细介绍： 高速磁悬浮开关磁阻电机是涉及电机技术、磁悬浮技术、电力电子技术及转子动力学等多门学科的一件综合作品。本作品将开关磁阻电机和磁悬浮轴承结合，通过本体创新及控制设计，实现电机35000rpm高速悬浮。 开关磁阻电机易于实现高转速、大功率，适合重载、频繁起动等各种恶劣的工作环境，但其转速和功率等级极大的受到轴承制约，限制了电机的应用。若开关磁阻电机采用磁轴承支撑，电机转子悬浮在定子中央，定、转子无接触，转速和功率可向更高等级发展，提高电机在高速大功率场合的工作能力，拓宽了开关磁阻电机的应用范围。 本作品首次采用双端对称三自由度磁轴承结构，即两端均采用同一款三自由度磁轴承实现电机的五自由度悬浮。电机结构紧凑，缩短了电机轴向长度，增大转子临界转速。一台电机只需设计一款磁轴承，结构简单，控制容易，对称性好，通用性高，为磁轴承的推广应用创造了有利条件。采用双端三自由度结构，系统具备一定容错能力，提高了悬浮系统的可靠性。 本作品采用永磁偏置磁轴承，利用永磁体建立偏置磁场，静态悬浮电流很小，特别适用于一些对功耗要求严格的场合。磁轴承控制器可以在线监测转子运行情况，并根据负载情况调节转子悬浮位置，利用偏置磁场产生的磁拉力承担外界静态负载，使转子位于最佳工作位置，减小系统的功耗。同时，为减小开关磁阻电机不平衡磁拉力给悬浮系统带来的不利影响，电机绕组采用并联连接，绕组电流能够根据气隙的大小自动分配，产生被动悬浮力，有利于电机悬浮运行。 永磁偏置轴向径向磁轴承能够同时实现轴向、径向悬浮，利用永磁体建立偏置磁场，减少绕组安匝数，节约了绕组空间，降低了系统功耗。为实现磁轴承本体的精确设计，我们建立精确磁路模型对磁轴承进行了精确设计。该设计方法不需要利用有限元仿真反复检验，精度高速度快，保证了磁轴承的性能。 本作品提出一种改进型三态采样保持控制策略，提高磁轴承开关功放性能，引入三态法以后，电流纹波被大幅度削弱，减小磁拉力的脉动，降低损耗，提高了开关功放的效率；电流纹波几乎不受母线电压影响，可以通过增大母线电压来提高电流响应速度，改善系统动态响应性能。 针对开关磁阻电机研究了一种新型位置传感器故障检测及容错控制方法，减小开关磁阻电机位置传感器故障对系统可靠运行的影响，能够检测一个和两个位置传感器出现的各种故障，进行容错控制保证电机继续稳定运行。该方法可提高电机在高温、多粉尘等极端恶劣环境下工作的可靠性，避免位置传感器故障对系统产生的危害。 采用磁悬浮轴承支撑电机，电机定、转子没有直接接触，转速不再受到机械轴承的限制，不存在机械磨损，降低了转子运转过程中摩擦损耗，消除了因轴承润滑剂带来的污染，省去庞大的轴承润滑、冷却装置。开关磁阻电机可以朝更高的转速和功率发展，提高了电机在中大功率场合适用的能力，在多电全电飞机起动/发电系统、高速驱动等领域具有非常广阔的应用前景。
获奖情况： 2010年12月校大学生科技节暨第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内选拔赛特等奖