基本信息
- 项目名称：
- 高速磁悬浮开关磁阻电机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 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。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 为充分发挥开关磁阻电机的高速适应性，提高电机在高速大功率和极端恶劣环境下的工作能力，拓宽开关磁阻电机的应用范围，我们制作了本作品--高速磁悬浮开关磁阻电机。本作品从电磁、机械、转子动力学、散热等方面深入研究，综合考虑系统各个环节对电机整体性能的影响，对电机和磁轴承本体、功率系统及控制策略等方面进行优化设计，解决高速、悬浮带来的技术难题，实现电机稳定高速悬浮运转。 创新点： （1）首次采用具备容错能力的双端对称三自由度磁轴承（永磁偏置轴向径向磁轴承）结构。 （2）采用改进型采样保持控制策略的磁悬浮轴承开关功放。 （3）采用新型开关磁阻电机位置传感器信号故障检测及容错控制方法。 作品技术关键： （1）电机和磁轴承系统综合设计。对开关磁阻电机和磁轴承进行整体设计，使系统结构紧凑，优化转子结构，改善转子动力学性能，提高散热能力。 （2）磁轴承本体设计。对磁轴承进行结构优化，参数设计，保证磁轴承性能指标满足系统要求。 （3）磁轴承开关功放的改进。改善功放频率响应特性，减小电流纹波，提高功放性能。 （4）研究了一种新型开关磁阻电机位置传感器故障检测及容错控制方法，提高系统在极端恶劣环境工作的可靠性。 主要技术指标： 工作转速：0-35000rpm 最大线速度：141m/s 电机功率：7.5Kw 磁轴承功率：<200w
科学性、先进性
- 本作品将开关磁阻电机和磁悬浮轴承结合，研制了高速磁悬浮开关磁阻电机。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。开关磁阻电机可以向更高的转速和功率发展，提高了电机在高速大功率场合适用的能力。 本作品首次采用双端对称三自由度磁轴承结构，电机结构紧凑，缩短了电机轴向长度，增大转子临界转速，为磁轴承的推广应用创造了有利条件。为提高开关功放性能，本作品提出一种改进型三态采样保持控制策略，绕组增加0续流状态，引入三态法以后，电流纹波大小与直流母线电压无关，因此可以在不增加电流纹波的情况下，通过提高直流母线电压来提高电磁力的响应速度，同时磁拉力脉动减小，有效提高磁轴承系统的动态特性。研究了一种新型的开关磁阻电机位置传感器故障检测及容错控制方法，保证电机能够在高温、多粉尘等极端恶劣环境下稳定运行。
获奖情况及鉴定结果
- 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
作品所处阶段
- 实验室阶段，已有多家企业前来洽谈合作。
技术转让方式
- 技术转让或合作开发，国有重点企业单位可优先考虑合作开发。
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片、视频
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 开关磁阻电机采用磁轴承支撑，摆脱机械轴承的束缚，可以达到更高的转速和功率等级。电机定、转子无接触，磨损小、摩擦损耗低、无需润滑，省去轴承润滑和冷却系统，降低系统综合成本。高速磁悬浮开关磁阻电机简单坚固、性能可靠，具有高功率密度、高容错性等特点，能够适应高速、重载各种恶劣环境，工作转速具有极宽的调节范围。普通开关磁阻电机受到轴承限制，转速和功率等级较低，适用范围极为有限，将开关磁阻电机和磁轴承结合，大幅度提高电机转速和功率等级，拓宽了电机的应用范围。 高速磁悬浮开关磁阻电机能够有效减少装置体积重量、提高设备性能，在多电/全电飞机、起动/发电系统、微型发动机、分布式发电系统、不间断电源(UPS)、高速车床主轴、电动/混合动力汽车、武器系统等关键领域具有非常广阔的应用前景，对国民经济产生将极大的促进作用，对发展国防军事、航空航天科技更是具有积极意义。本作品完成后，已有洛阳轴承厂、美的公司、格力公司前来洽谈合作，可见其应用潜力，本作品实用化以后必将创造巨大的经济效益和社会效益。
同类课题研究水平概述
- 电机功率较小时易于实现高转速，而随着功率的增大，电机转速提升困难，因此一般将转速和功率的乘积作为衡量一个国家电机发展水平的重要指标。以开关磁阻电机为例，采用机械轴承支撑，国内小功率达到1Kw、130000rpm，大功率只有180Kw、3000rpm；国外小功率有1Kw、200000rpm，大功率已经达到250Kw、22000rpm。由于采用机械轴承，开关磁阻电机转速和功率乘积限制在一个很低的水平，且国内研究水平远落后于国外。 为摆脱机械轴承的束缚，目前电工界正在研究将高速电机和磁轴承结合，以实现更高的转速和功率等级。国外磁悬浮电机已经发展的较为成熟，磁悬浮电机已经应用于卫星姿态调整的控制力矩陀螺、磨削车床主轴、飞轮电池储能、涡轮发动机，优势显著。美军已研制成功功率250Kw转速40000rpm磁悬浮开关磁阻电机，并装备到F-35战斗机的起动/发电机系统中，这也说明高速电机和磁轴承结合是未来电机发展的一个重要趋势。国内开关磁阻电机最高转速已实现130000rpm，但由于轴承的限制，电机的功率只有1Kw，大功率电机转速很低，转速与功率严重脱节，应用场合受到极大的限制。研究磁悬浮轴承支撑的开关磁阻电机是突破机械轴承限制的一种有效途径，目前国内已有多家单位研究磁悬浮电机，用于数控车床主轴磨削实验的磁悬浮异步电机转速达到40000rpm，但针对开关磁阻电机的较少。 本作品将磁轴承和开关磁阻电机结合进行集成化设计，首次采用双端对称三自由度磁轴承结构实现电机悬浮，最高转速达到35000rpm，电机功率达到7.5Kw，且功率等级可以进一步提高，为电机在中大功率场合的发展和应用打下了良好的基础。
