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        基本信息

        項目名稱:
        高速磁懸浮開關磁阻電機
        小類:
        機械與控制
        簡介:
        本作品將開關磁阻電機和磁軸承有機結合,首次采用雙端對稱三自由度磁軸承結構,對系統進行綜合設計,使電機轉子穩定懸浮在定子中央,實現7.5Kw開關磁阻電機35000rpm穩定懸浮運行,線速度達到141m/s。開關磁阻電機擺脫普通機械軸承的束縛,可以達到更高的轉速和功率等級,拓寬了開關磁阻電機的應用范圍,在多電/全電飛機、起動/發電系統等高速大功率領域具有非常廣闊的應用前景。
        詳細介紹:
        高速磁懸浮開關磁阻電機是涉及電機技術、磁懸浮技術、電力電子技術及轉子動力學等多門學科的一件綜合作品。本作品將開關磁阻電機和磁懸浮軸承結合,通過本體創新及控制設計,實現電機35000rpm高速懸浮。 開關磁阻電機易于實現高轉速、大功率,適合重載、頻繁起動等各種惡劣的工作環境,但其轉速和功率等級極大的受到軸承制約,限制了電機的應用。若開關磁阻電機采用磁軸承支撐,電機轉子懸浮在定子中央,定、轉子無接觸,轉速和功率可向更高等級發展,提高電機在高速大功率場合的工作能力,拓寬了開關磁阻電機的應用范圍。 本作品首次采用雙端對稱三自由度磁軸承結構,即兩端均采用同一款三自由度磁軸承實現電機的五自由度懸浮。電機結構緊湊,縮短了電機軸向長度,增大轉子臨界轉速。一臺電機只需設計一款磁軸承,結構簡單,控制容易,對稱性好,通用性高,為磁軸承的推廣應用創造了有利條件。采用雙端三自由度結構,系統具備一定容錯能力,提高了懸浮系統的可靠性。 本作品采用永磁偏置磁軸承,利用永磁體建立偏置磁場,靜態懸浮電流很小,特別適用于一些對功耗要求嚴格的場合。磁軸承控制器可以在線監測轉子運行情況,并根據負載情況調節轉子懸浮位置,利用偏置磁場產生的磁拉力承擔外界靜態負載,使轉子位于最佳工作位置,減小系統的功耗。同時,為減小開關磁阻電機不平衡磁拉力給懸浮系統帶來的不利影響,電機繞組采用并聯連接,繞組電流能夠根據氣隙的大小自動分配,產生被動懸浮力,有利于電機懸浮運行。 永磁偏置軸向徑向磁軸承能夠同時實現軸向、徑向懸浮,利用永磁體建立偏置磁場,減少繞組安匝數,節約了繞組空間,降低了系統功耗。為實現磁軸承本體的精確設計,我們建立精確磁路模型對磁軸承進行了精確設計。該設計方法不需要利用有限元仿真反復檢驗,精度高速度快,保證了磁軸承的性能。 本作品提出一種改進型三態采樣保持控制策略,提高磁軸承開關功放性能,引入三態法以后,電流紋波被大幅度削弱,減小磁拉力的脈動,降低損耗,提高了開關功放的效率;電流紋波幾乎不受母線電壓影響,可以通過增大母線電壓來提高電流響應速度,改善系統動態響應性能。 針對開關磁阻電機研究了一種新型位置傳感器故障檢測及容錯控制方法,減小開關磁阻電機位置傳感器故障對系統可靠運行的影響,能夠檢測一個和兩個位置傳感器出現的各種故障,進行容錯控制保證電機繼續穩定運行。該方法可提高電機在高溫、多粉塵等極端惡劣環境下工作的可靠性,避免位置傳感器故障對系統產生的危害。 采用磁懸浮軸承支撐電機,電機定、轉子沒有直接接觸,轉速不再受到機械軸承的限制,不存在機械磨損,降低了轉子運轉過程中摩擦損耗,消除了因軸承潤滑劑帶來的污染,省去龐大的軸承潤滑、冷卻裝置。開關磁阻電機可以朝更高的轉速和功率發展,提高了電機在中大功率場合適用的能力,在多電全電飛機起動/發電系統、高速驅動等領域具有非常廣闊的應用前景。

        作品圖片

        • 高速磁懸浮開關磁阻電機
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        作品專業信息

        設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

        為充分發揮開關磁阻電機的高速適應性,提高電機在高速大功率和極端惡劣環境下的工作能力,拓寬開關磁阻電機的應用范圍,我們制作了本作品--高速磁懸浮開關磁阻電機。本作品從電磁、機械、轉子動力學、散熱等方面深入研究,綜合考慮系統各個環節對電機整體性能的影響,對電機和磁軸承本體、功率系統及控制策略等方面進行優化設計,解決高速、懸浮帶來的技術難題,實現電機穩定高速懸浮運轉。 創新點: (1)首次采用具備容錯能力的雙端對稱三自由度磁軸承(永磁偏置軸向徑向磁軸承)結構。 (2)采用改進型采樣保持控制策略的磁懸浮軸承開關功放。 (3)采用新型開關磁阻電機位置傳感器信號故障檢測及容錯控制方法。 作品技術關鍵: (1)電機和磁軸承系統綜合設計。對開關磁阻電機和磁軸承進行整體設計,使系統結構緊湊,優化轉子結構,改善轉子動力學性能,提高散熱能力。 (2)磁軸承本體設計。對磁軸承進行結構優化,參數設計,保證磁軸承性能指標滿足系統要求。 (3)磁軸承開關功放的改進。改善功放頻率響應特性,減小電流紋波,提高功放性能。 (4)研究了一種新型開關磁阻電機位置傳感器故障檢測及容錯控制方法,提高系統在極端惡劣環境工作的可靠性。 主要技術指標: 工作轉速:0-35000rpm 最大線速度:141m/s 電機功率:7.5Kw 磁軸承功率:<200w

        科學性、先進性

        本作品將開關磁阻電機和磁懸浮軸承結合,研制了高速磁懸浮開關磁阻電機。采用磁懸浮軸承支撐電機,電機定、轉子沒有直接接觸,轉速不再受到機械軸承的限制,不存在機械磨損,降低了轉子運轉過程中摩擦損耗,消除了因軸承潤滑劑帶來的污染,省去龐大的軸承潤滑、冷卻裝置。開關磁阻電機可以向更高的轉速和功率發展,提高了電機在高速大功率場合適用的能力。 本作品首次采用雙端對稱三自由度磁軸承結構,電機結構緊湊,縮短了電機軸向長度,增大轉子臨界轉速,為磁軸承的推廣應用創造了有利條件。為提高開關功放性能,本作品提出一種改進型三態采樣保持控制策略,繞組增加0續流狀態,引入三態法以后,電流紋波大小與直流母線電壓無關,因此可以在不增加電流紋波的情況下,通過提高直流母線電壓來提高電磁力的響應速度,同時磁拉力脈動減小,有效提高磁軸承系統的動態特性。研究了一種新型的開關磁阻電機位置傳感器故障檢測及容錯控制方法,保證電機能夠在高溫、多粉塵等極端惡劣環境下穩定運行。

        獲獎情況及鑒定結果

        2010年12月校大學生科技節暨第十二屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽校內選拔賽特等獎

        作品所處階段

        實驗室階段,已有多家企業前來洽談合作。

        技術轉讓方式

        技術轉讓或合作開發,國有重點企業單位可優先考慮合作開發。

        作品可展示的形式

        實物、現場演示、圖片、視頻

        使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

        開關磁阻電機采用磁軸承支撐,擺脫機械軸承的束縛,可以達到更高的轉速和功率等級。電機定、轉子無接觸,磨損小、摩擦損耗低、無需潤滑,省去軸承潤滑和冷卻系統,降低系統綜合成本。高速磁懸浮開關磁阻電機簡單堅固、性能可靠,具有高功率密度、高容錯性等特點,能夠適應高速、重載各種惡劣環境,工作轉速具有極寬的調節范圍。普通開關磁阻電機受到軸承限制,轉速和功率等級較低,適用范圍極為有限,將開關磁阻電機和磁軸承結合,大幅度提高電機轉速和功率等級,拓寬了電機的應用范圍。 高速磁懸浮開關磁阻電機能夠有效減少裝置體積重量、提高設備性能,在多電/全電飛機、起動/發電系統、微型發動機、分布式發電系統、不間斷電源(UPS)、高速車床主軸、電動/混合動力汽車、武器系統等關鍵領域具有非常廣闊的應用前景,對國民經濟產生將極大的促進作用,對發展國防軍事、航空航天科技更是具有積極意義。本作品完成后,已有洛陽軸承廠、美的公司、格力公司前來洽談合作,可見其應用潛力,本作品實用化以后必將創造巨大的經濟效益和社會效益。

        同類課題研究水平概述

        電機功率較小時易于實現高轉速,而隨著功率的增大,電機轉速提升困難,因此一般將轉速和功率的乘積作為衡量一個國家電機發展水平的重要指標。以開關磁阻電機為例,采用機械軸承支撐,國內小功率達到1Kw、130000rpm,大功率只有180Kw、3000rpm;國外小功率有1Kw、200000rpm,大功率已經達到250Kw、22000rpm。由于采用機械軸承,開關磁阻電機轉速和功率乘積限制在一個很低的水平,且國內研究水平遠落后于國外。 為擺脫機械軸承的束縛,目前電工界正在研究將高速電機和磁軸承結合,以實現更高的轉速和功率等級。國外磁懸浮電機已經發展的較為成熟,磁懸浮電機已經應用于衛星姿態調整的控制力矩陀螺、磨削車床主軸、飛輪電池儲能、渦輪發動機,優勢顯著。美軍已研制成功功率250Kw轉速40000rpm磁懸浮開關磁阻電機,并裝備到F-35戰斗機的起動/發電機系統中,這也說明高速電機和磁軸承結合是未來電機發展的一個重要趨勢。國內開關磁阻電機最高轉速已實現130000rpm,但由于軸承的限制,電機的功率只有1Kw,大功率電機轉速很低,轉速與功率嚴重脫節,應用場合受到極大的限制。研究磁懸浮軸承支撐的開關磁阻電機是突破機械軸承限制的一種有效途徑,目前國內已有多家單位研究磁懸浮電機,用于數控車床主軸磨削實驗的磁懸浮異步電機轉速達到40000rpm,但針對開關磁阻電機的較少。 本作品將磁軸承和開關磁阻電機結合進行集成化設計,首次采用雙端對稱三自由度磁軸承結構實現電機懸浮,最高轉速達到35000rpm,電機功率達到7.5Kw,且功率等級可以進一步提高,為電機在中大功率場合的發展和應用打下了良好的基礎。
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