【摘要】： 電磁軸承集成技術(shù)是目前磁軸承高速電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。該技術(shù)對(duì)于提高系統(tǒng)的可靠性、減小轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度和體積，改善高速電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能具有獨(dú)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(diǎn)，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(jī)集成在一起的無(wú)軸承異步電機(jī)、新型開(kāi)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(gè)方面開(kāi)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(lái)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(jì)算了電流剛度和位移剛度，同時(shí)提出了這種磁軸承的性能指標(biāo)公式，為該磁軸承的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。對(duì)該新型磁軸承進(jìn)行了ANSYS有限元仿真，很好地驗(yàn)證了磁懸浮機(jī)理和數(shù)學(xué)模型的正確性。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了永磁偏置軸向徑向磁軸承的工作原理和優(yōu)良的動(dòng)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(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 在闡明無(wú)軸承異步電機(jī)基本工作原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)推導(dǎo)了適用于矢量控制的磁懸浮力數(shù)學(xué)模型，為無(wú)軸承異步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)定向控制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。首次運(yùn)用有限元方法對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了深入的研究，充分展現(xiàn)了無(wú)軸承異步電機(jī)特有的氣隙磁場(chǎng)分布、驗(yàn)證了穩(wěn)定磁懸浮力產(chǎn)生的條件、指出了磁飽和對(duì)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(wú)軸承異步電機(jī)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(wú)軸承異步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)定向控制策略，采用該非線性控制方法能使無(wú)軸承異步電機(jī)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(duì)這兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)進(jìn)行控制，首次實(shí)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(jī)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(jī)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(xì)論述了H_∞控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程，并與經(jīng)典PID控制策略進(jìn)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(duì)磁軸承系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)功率放大器的要求，首次提出并實(shí)現(xiàn)了一種具有高帶寬和低紋波電流的開(kāi)關(guān)功率放大器——電流模式控制三態(tài)開(kāi)關(guān)功率放大器，詳細(xì)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(jì)過(guò)程，給出了實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)功率放大器，對(duì)其進(jìn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2003
【分類號(hào)】：TH133.3
【圖文】：

型五自由度磁懸浮高速電機(jī)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(gè)徑向充磁的環(huán)形永磁體來(lái)同時(shí)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(chǎng)在徑向和軸向磁極都是單一極性，從而使偏置磁通通過(guò)徑向氣隙流入(出)轉(zhuǎn)子，同時(shí)通過(guò)軸向氣隙流出(入)轉(zhuǎn)子，消除了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jì)算值和有限元仿真值比較2.7.2三維電磁場(chǎng)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(shí)的磁場(chǎng)分布的變化，因此必須采用三維電磁場(chǎng)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(jì)算極為耗時(shí)，本文計(jì)算時(shí)沒(méi)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(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)、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(gè)徑向自由度的控制線圈通電時(shí)的磁場(chǎng)分布(用表示磁密大小和方向的空間矢量描述)�？梢钥闯觯谶@一受控自由度轉(zhuǎn)子一側(cè)徑向氣隙磁密減少，對(duì)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(shí)另一個(gè)徑向自由度的兩個(gè)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(gè)徑向自由度之間不存在交叉禍合。圖2一24顯示了兩個(gè)徑

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2744956