發(fā)布時間：2020-07-07 09:28

【摘要】： 電磁軸承集成技術(shù)是目前磁軸承高速電機領(lǐng)域研究的熱點。該技術(shù)對于提高系統(tǒng)的可靠性、減小轉(zhuǎn)子軸向長度和體積，改善高速電機的動態(tài)性能具有獨特的作用。本文以電磁軸承系統(tǒng)集成化技術(shù)為研究重點，包括將軸向和徑向磁軸承功能結(jié)合為一體的集成磁軸承、將徑向磁軸承和異步電機集成在一起的無軸承異步電機、新型開關(guān)功率放大器的研制以及控制系統(tǒng)H_∞魯棒控制策略等研究。主要作了以下幾個方面開創(chuàng)性的工作： 研究了一種高效緊湊的新型永磁偏置軸向徑向磁軸承。利用等效磁路法建立了該磁軸承的磁懸浮力數(shù)學(xué)模型，依據(jù)此數(shù)學(xué)模型分析了徑向和軸向磁懸浮力之間的非線性耦合關(guān)系，得出在轉(zhuǎn)子平衡位置附近，徑向和軸向懸浮力是解耦的結(jié)論，從而為控制帶來了極大的方便。在以上分析的基礎(chǔ)上，推出磁懸浮力的線性化方程，計算了電流剛度和位移剛度，同時提出了這種磁軸承的性能指標公式，為該磁軸承的設(shè)計提供了理論依據(jù)。對該新型磁軸承進行了ANSYS有限元仿真，很好地驗證了磁懸浮機理和數(shù)學(xué)模型的正確性。實驗進一步驗證了永磁偏置軸向徑向磁軸承的工作原理和優(yōu)良的動態(tài)性能。在永磁偏置軸向徑向磁軸承的基礎(chǔ)上首次提出了一種永磁偏置徑向磁軸承，研究了該磁軸承的數(shù)學(xué)模型，并對其進行了實驗驗證。 在闡明無軸承異步電機基本工作原理的基礎(chǔ)上，詳細推導(dǎo)了適用于矢量控制的磁懸浮力數(shù)學(xué)模型，為無軸承異步電機的氣隙磁場定向控制奠定了堅實的基礎(chǔ)。首次運用有限元方法對該電機進行了深入的研究，充分展現(xiàn)了無軸承異步電機特有的氣隙磁場分布、驗證了穩(wěn)定磁懸浮力產(chǎn)生的條件、指出了磁飽和對磁懸浮力的影響、利用有限元方法修正了磁懸浮力數(shù)學(xué)模型。 研究了由無軸承異步電機和永磁偏置軸向徑向磁軸承構(gòu)成的新型五自由度磁懸浮系統(tǒng)。闡述了無軸承異步電機的氣隙磁場定向控制策略，采用該非線性控制方法能使無軸承異步電機解耦成轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)和磁懸浮徑向力子系統(tǒng)，從而可以采用經(jīng)典PID對這兩個獨立的子系統(tǒng)進行控制，首次實現(xiàn)了系統(tǒng)在0～3000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定懸浮。 提出一種五自由度懸浮磁軸承電機系統(tǒng)(由永磁偏置軸向徑向磁軸承、永磁偏置徑向磁軸承、高速永磁同步電機共同構(gòu)成)。首次將H_∞魯棒控制策略應(yīng)用于集成化磁軸承系統(tǒng)，詳細論述了H_∞控制器的設(shè)計過程，并與經(jīng)典PID控制策略進行了比較，表明了H_∞控制器優(yōu)良的抗干擾能力和穩(wěn)定的魯棒性。 針對磁軸承系統(tǒng)對開關(guān)功率放大器的要求，首次提出并實現(xiàn)了一種具有高帶寬和低紋波電流的開關(guān)功率放大器——電流模式控制三態(tài)開關(guān)功率放大器，詳細闡述了其 南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文 工作原理和設(shè)計過程，給出了實驗波形和分析。從降低系統(tǒng)成本和提高可靠性的角度， 提出了一種采用空間電壓矢量控制的開關(guān)功率放大器，對其進行了仿真研究，指出了 這種功放的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2003
【分類號】：TH133.3
【圖文】：

型五自由度磁懸浮高速電機系統(tǒng)。2.2永磁偏置軸向徑向磁軸承的結(jié)構(gòu)及工作原理新穎永磁偏置軸向徑向磁軸承的結(jié)構(gòu)原理如圖2一2所示，由徑向定子、外軸向氣隙卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜一一一一一，JJJ...............目目陣陣陣陣陣陣陣陣陣陣三李李lllllllllllllllllll—~~~~~~~lll————————以以以以以以以以以以以以以以，，，.111111111111111瀚瀚~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~徑向氣隙圖2一2永磁偏置軸向徑向磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖部磁極鐵心(也叫軸向定子)、軸向控制線圈、徑向控制線圈、環(huán)形永磁體等構(gòu)成。圖2一3所示的是軸向、徑向定子和環(huán)形永磁體三維結(jié)構(gòu)。圖2一4所示的是徑向和軸向控制線圈的空間結(jié)構(gòu)。這種磁軸承利用一個徑向充磁的環(huán)形永磁體來同時產(chǎn)生軸向和徑向氣隙偏置磁通，采用單極性結(jié)構(gòu)使偏置磁場在徑向和軸向磁極都是單一極性，從而使偏置磁通通過徑向氣隙流入(出)轉(zhuǎn)子，同時通過軸向氣隙流出(入)轉(zhuǎn)子，消除了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時徑向和軸向氣隙中的磁極性變化

臀越簍簍簍.....一‘~~~~~匡匡奎鑫鑫鑫墮墮區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)圖2一19磁力線分布圖〔.人0.，一l，，。.1，，軸自氣陳，一0，4徑向氣旅‘怡習(xí)盆.抽向氣肺/‘。5.，\\:.二勻.3.‘側(cè)知圖翻翻派之一‘01工一日石‘l工二0

粕向控制線圈電流(幻轉(zhuǎn)子袖同位移(.)圖2一21磁懸浮力的理論計算值和有限元仿真值比較2.7.2三維電磁場的有限元仿真上一節(jié)提出的磁軸承二維有限元模型并不能仿真徑向控制線圈通電和徑向位移發(fā)生改變時的磁場分布的變化，因此必須采用三維電磁場有限元模型。圖2一22是磁軸承三維有限元模型的網(wǎng)格剖分圖，由于三維有限元的計算極為耗時，本文計算時沒有考慮磁性材料的非線性特性，而且三維仿真的目的主要是考察是否達到設(shè)計指標、磁路分布是否合理。圖2一22三維模型網(wǎng)格剖分圖圖2一23仿真了磁軸承在只有一個徑向自由度的控制線圈通電時的磁場分布(用表示磁密大小和方向的空間矢量描述)�？梢钥闯�，在這一受控自由度轉(zhuǎn)子一側(cè)徑向氣隙磁密減少，對應(yīng)的另一側(cè)徑向氣隙磁密增加，從而產(chǎn)生磁懸浮力，而此時另一個徑向自由度的兩個徑向氣隙磁密基本是相等的，那么就不產(chǎn)生磁懸浮力。由此可知，兩個徑向自由度之間不存在交叉禍合。圖2一24顯示了兩個徑

【引證文獻】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 李祥生;鄧智泉;陳志達;費清照;;電流型四橋臂開關(guān)功放控制方法[J];電工技術(shù)學(xué)報;2011年02期

2 趙旭升,梅磊,鄧智泉,王曉琳;新型永磁偏置磁軸承的不平衡補償研究[J];微特電機;2005年11期

3 趙旭升;鄧智泉;梅磊;王曉琳;;永磁偏置磁軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J];微特電機;2006年12期

4 田希暉;房建成;劉剛;;基于空間電壓矢量PWM控制的磁軸承開關(guān)功放[J];系統(tǒng)工程與電子技術(shù);2008年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 李祥生;多橋臂磁軸承開關(guān)功率放大器調(diào)制技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

2 孫傳余;新型低功耗永磁偏置混合磁軸承的研究[D];山東科技大學(xué);2010年

3 黎海文;微型無軸承永磁同步電機的原理與實驗研究[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機械與物理研究所）;2005年

4 蘇義鑫;主動磁力軸承模糊控制的相關(guān)理論與技術(shù)研究[D];華中科技大學(xué);2006年

5 田錄林;永磁軸承和導(dǎo)軌磁力解析模型的研究[D];西安理工大學(xué);2008年

6 趙旭升;永磁偏置磁懸浮軸承的研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 湯玲;主動磁力軸承的模糊PID控制[D];武漢理工大學(xué);2006年

2 董宏濤;磁力軸承功率放大器的設(shè)計與仿真[D];武漢理工大學(xué);2006年

3 趙旭升;超高速磁懸浮電機轉(zhuǎn)子非線性控制的研究[D];南京航空航天大學(xué);2006年

4 張建平;基于DSP的電磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

5 姜敞;無軸承永磁同步電機優(yōu)化設(shè)計及控制研究[D];江蘇大學(xué);2007年

6 宋躍輝;5MN預(yù)拉伸試驗機測控系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D];中南大學(xué);2007年

7 雷勇;軸向控制的磁浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的控制研究[D];中南大學(xué);2006年

8 范冬;無軸承開關(guān)磁阻電機設(shè)計與控制系統(tǒng)研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

9 王宇;無軸承異步電機控制策略的研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

10 劉麗瓊;徑向雙繞組永磁偏置磁懸浮軸承研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

本文編號：2744956