永磁转子偏转式三自由度运动电机工作机理及其控制研究

多自由度电机有着独特的优点和广阔的应用前景。本项目研究一种新结构的可实现磁悬浮控制模式的永磁转子偏转式三自由度运动电机的工作机理与控制方法，并将电磁建模与优化、悬浮控制技术应用在该系统中，以期构造高可靠性、实用化的多自由度电机。主要内容包括：运用有限元－解析结合的方法建立电磁系统的数学模型，建立载荷和空间约束条件下的电机关键参数的解析描述和电机结构的优化设计；研究全转速范围内转子的普通运行和悬浮控制方法，建立考虑转子偏心和耦合因素的转子系统动力学模型，提出非线性解耦控制策略；样机和实验的研究。本项目的研究成果将对多自由度电机的理论发展和实际应用起到推动作用，拓展新的研究方向，具有重要的理论意义和应用价值。

永磁多自由度电机研究引起了广泛的关注。本项目在长期研究永磁电机的基础上提出新结构的永磁转子偏转式三自由度运动电机，建立该电机的分析和设计理论，对电机进行系统仿真并结合实际样机的制作比对设计和计算结果。研究的具体内容有：第一，根据项目研究的需要，对一种新型永磁球形多自由度电机的磁场、转矩进行建模分析，对永磁转子进行了研究，为类球形永磁转子的设计加工提供了技术依据；第二，利用解析求解结合三维有限元方法对电机的转子静磁场和加激励后的气隙磁场进行了计算求解，转子为“圆鼓形”和“蝶形”结构，采用解析求解和三维有限元方法相结合的方式进行对比验证。基于解析法和有限元法建立转矩模型，计算得到转矩特性；第三，建立了该电机的动力学模型，通过动力学模型和反电动势模型的建立，将电机内部参数与运动性能联系起来，为电机转子位置检测及控制系统的研究提供了理论依据；第四，通过建立的电磁系统数学模型，分别分析探讨了影响电磁系统性能的参数，利用遗传算法和响应曲面法对电机结构参数进行了优化；第五，建立了静压气浮结构下的系统仿真模型，针对电机径向悬浮力机理和特性研究，建立了转子偏心后气隙变化的三维解析模型，通过有限元分析软件，对电机的气隙磁通密度和径向电磁力特性进行了分析和实验研究；第六，建立了电机位置检测系统模型，给出了应用线性霍尔传感器来测量永磁体的磁场进行位置检测的方法，提出了基于等效电流模型的永磁体磁场建模方法，设计制作了位置检测实验平台。此外，还进行了双光电传感器位置检测方法的研究；第七，在理论分析的基础上，设计并制作了实验样机，进行了实验验证。以上研究都为具有自主知识产权的永磁转子偏转式三自由度电机的研制开发和实用化奠定了理论和实验基础，发表论文22篇。