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基本信息
- 項目名稱：
- 高速磁懸浮開關(guān)磁阻電機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品將開關(guān)磁阻電機和磁軸承有機結(jié)合，首次采用雙端對稱三自由度磁軸承結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)進行綜合設(shè)計，使電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在定子中央，實現(xiàn)7.5Kw開關(guān)磁阻電機35000rpm穩(wěn)定懸浮運行，線速度達到141m/s。開關(guān)磁阻電機擺脫普通機械軸承的束縛，可以達到更高的轉(zhuǎn)速和功率等級，拓寬了開關(guān)磁阻電機的應(yīng)用范圍，在多電/全電飛機、起動/發(fā)電系統(tǒng)等高速大功率領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
- 詳細介紹：
- 高速磁懸浮開關(guān)磁阻電機是涉及電機技術(shù)、磁懸浮技術(shù)、電力電子技術(shù)及轉(zhuǎn)子動力學(xué)等多門學(xué)科的一件綜合作品。本作品將開關(guān)磁阻電機和磁懸浮軸承結(jié)合，通過本體創(chuàng)新及控制設(shè)計，實現(xiàn)電機35000rpm高速懸浮。 開關(guān)磁阻電機易于實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、大功率，適合重載、頻繁起動等各種惡劣的工作環(huán)境，但其轉(zhuǎn)速和功率等級極大的受到軸承制約，限制了電機的應(yīng)用。若開關(guān)磁阻電機采用磁軸承支撐，電機轉(zhuǎn)子懸浮在定子中央，定、轉(zhuǎn)子無接觸，轉(zhuǎn)速和功率可向更高等級發(fā)展，提高電機在高速大功率場合的工作能力，拓寬了開關(guān)磁阻電機的應(yīng)用范圍。 本作品首次采用雙端對稱三自由度磁軸承結(jié)構(gòu)，即兩端均采用同一款三自由度磁軸承實現(xiàn)電機的五自由度懸浮。電機結(jié)構(gòu)緊湊，縮短了電機軸向長度，增大轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。一臺電機只需設(shè)計一款磁軸承，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，對稱性好，通用性高，為磁軸承的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。采用雙端三自由度結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具備一定容錯能力，提高了懸浮系統(tǒng)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(tài)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(jiān)測轉(zhuǎn)子運行情況，并根據(jù)負載情況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子懸浮位置，利用偏置磁場產(chǎn)生的磁拉力承擔(dān)外界靜態(tài)負載，使轉(zhuǎn)子位于最佳工作位置，減小系統(tǒng)的功耗。同時，為減小開關(guān)磁阻電機不平衡磁拉力給懸浮系統(tǒng)帶來的不利影響，電機繞組采用并聯(lián)連接，繞組電流能夠根據(jù)氣隙的大小自動分配，產(chǎn)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(xiàn)軸向、徑向懸浮，利用永磁體建立偏置磁場，減少繞組安匝數(shù)，節(jié)約了繞組空間，降低了系統(tǒng)功耗。為實現(xiàn)磁軸承本體的精確設(shè)計，我們建立精確磁路模型對磁軸承進行了精確設(shè)計。該設(shè)計方法不需要利用有限元仿真反復(fù)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(tài)采樣保持控制策略，提高磁軸承開關(guān)功放性能，引入三態(tài)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(guān)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(yīng)速度，改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能。 針對開關(guān)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(guān)磁阻電機位置傳感器故障對系統(tǒng)可靠運行的影響，能夠檢測一個和兩個位置傳感器出現(xiàn)的各種故障，進行容錯控制保證電機繼續(xù)穩(wěn)定運行。該方法可提高電機在高溫、多粉塵等極端惡劣環(huán)境下工作的可靠性，避免位置傳感器故障對系統(tǒng)產(chǎn)生的危害。 采用磁懸浮軸承支撐電機，電機定、轉(zhuǎn)子沒有直接接觸，轉(zhuǎn)速不再受到機械軸承的限制，不存在機械磨損，降低了轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)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(guān)磁阻電機可以朝更高的轉(zhuǎn)速和功率發(fā)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(fā)電系統(tǒng)、高速驅(qū)動等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 為充分發(fā)揮開關(guān)磁阻電機的高速適應(yīng)性，提高電機在高速大功率和極端惡劣環(huán)境下的工作能力，拓寬開關(guān)磁阻電機的應(yīng)用范圍，我們制作了本作品--高速磁懸浮開關(guān)磁阻電機。本作品從電磁、機械、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、散熱等方面深入研究，綜合考慮系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)對電機整體性能的影響，對電機和磁軸承本體、功率系統(tǒng)及控制策略等方面進行優(yōu)化設(shè)計，解決高速、懸浮帶來的技術(shù)難題，實現(xiàn)電機穩(wěn)定高速懸浮運轉(zhuǎn)。 創(chuàng)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(jié)構(gòu)。 （2）采用改進型采樣保持控制策略的磁懸浮軸承開關(guān)功放。 （3）采用新型開關(guān)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(shù)關(guān)鍵： （1）電機和磁軸承系統(tǒng)綜合設(shè)計。對開關(guān)磁阻電機和磁軸承進行整體設(shè)計，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，改善轉(zhuǎn)子動力學(xué)性能，提高散熱能力。 （2）磁軸承本體設(shè)計。對磁軸承進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，參數(shù)設(shè)計，保證磁軸承性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。 （3）磁軸承開關(guān)功放的改進。改善功放頻率響應(yīng)特性，減小電流紋波，提高功放性能。 （4）研究了一種新型開關(guān)磁阻電機位置傳感器故障檢測及容錯控制方法，提高系統(tǒng)在極端惡劣環(huán)境工作的可靠性。 主要技術(shù)指標(biāo)： 工作轉(zhuǎn)速：0-35000rpm 最大線速度：141m/s 電機功率：7.5Kw 磁軸承功率：<200w
科學(xué)性、先進性
- 本作品將開關(guān)磁阻電機和磁懸浮軸承結(jié)合，研制了高速磁懸浮開關(guān)磁阻電機。采用磁懸浮軸承支撐電機，電機定、轉(zhuǎn)子沒有直接接觸，轉(zhuǎn)速不再受到機械軸承的限制，不存在機械磨損，降低了轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)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(guān)磁阻電機可以向更高的轉(zhuǎn)速和功率發(fā)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(jié)構(gòu)，電機結(jié)構(gòu)緊湊，縮短了電機軸向長度，增大轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，為磁軸承的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。為提高開關(guān)功放性能，本作品提出一種改進型三態(tài)采樣保持控制策略，繞組增加0續(xù)流狀態(tài)，引入三態(tài)法以后，電流紋波大小與直流母線電壓無關(guān)，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(yīng)速度，同時磁拉力脈動減小，有效提高磁軸承系統(tǒng)的動態(tài)特性。研究了一種新型的開關(guān)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(huán)境下穩(wěn)定運行。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年12月校大學(xué)生科技節(jié)暨第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校內(nèi)選拔賽特等獎
作品所處階段
- 實驗室階段，已有多家企業(yè)前來洽談合作。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開發(fā)，國有重點企業(yè)單位可優(yōu)先考慮合作開發(fā)。
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示、圖片、視頻
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 開關(guān)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(zhuǎn)速和功率等級。電機定、轉(zhuǎn)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(tǒng)，降低系統(tǒng)綜合成本。高速磁懸浮開關(guān)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(yīng)高速、重載各種惡劣環(huán)境，工作轉(zhuǎn)速具有極寬的調(diào)節(jié)范圍。普通開關(guān)磁阻電機受到軸承限制，轉(zhuǎn)速和功率等級較低，適用范圍極為有限，將開關(guān)磁阻電機和磁軸承結(jié)合，大幅度提高電機轉(zhuǎn)速和功率等級，拓寬了電機的應(yīng)用范圍。 高速磁懸浮開關(guān)磁阻電機能夠有效減少裝置體積重量、提高設(shè)備性能，在多電/全電飛機、起動/發(fā)電系統(tǒng)、微型發(fā)動機、分布式發(fā)電系統(tǒng)、不間斷電源(UPS)、高速車床主軸、電動/混合動力汽車、武器系統(tǒng)等關(guān)鍵領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，對國民經(jīng)濟產(chǎn)生將極大的促進作用，對發(fā)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(yīng)用潛力，本作品實用化以后必將創(chuàng)造巨大的經(jīng)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(xiàn)高轉(zhuǎn)速，而隨著功率的增大，電機轉(zhuǎn)速提升困難，因此一般將轉(zhuǎn)速和功率的乘積作為衡量一個國家電機發(fā)展水平的重要指標(biāo)。以開關(guān)磁阻電機為例，采用機械軸承支撐，國內(nèi)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(jīng)達到250Kw、22000rpm。由于采用機械軸承，開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)速和功率乘積限制在一個很低的水平，且國內(nèi)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(jié)合，以實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速和功率等級。國外磁懸浮電機已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，磁懸浮電機已經(jīng)應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整的控制力矩陀螺、磨削車床主軸、飛輪電池儲能、渦輪發(fā)動機，優(yōu)勢顯著。美軍已研制成功功率250Kw轉(zhuǎn)速40000rpm磁懸浮開關(guān)磁阻電機，并裝備到F-35戰(zhàn)斗機的起動/發(fā)電機系統(tǒng)中，這也說明高速電機和磁軸承結(jié)合是未來電機發(fā)展的一個重要趨勢。國內(nèi)開關(guān)磁阻電機最高轉(zhuǎn)速已實現(xiàn)130000rpm，但由于軸承的限制，電機的功率只有1Kw，大功率電機轉(zhuǎn)速很低，轉(zhuǎn)速與功率嚴重脫節(jié)，應(yīng)用場合受到極大的限制。研究磁懸浮軸承支撐的開關(guān)磁阻電機是突破機械軸承限制的一種有效途徑，目前國內(nèi)已有多家單位研究磁懸浮電機，用于數(shù)控車床主軸磨削實驗的磁懸浮異步電機轉(zhuǎn)速達到40000rpm，但針對開關(guān)磁阻電機的較少。 本作品將磁軸承和開關(guān)磁阻電機結(jié)合進行集成化設(shè)計，首次采用雙端對稱三自由度磁軸承結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電機懸浮，最高轉(zhuǎn)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(fā)展和應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。
