复杂电机系统关键基础问题研究

Complex motor system is formed due to integrated design method was mainly adopt for motor system and equipment system in the motor drive system of the intelligent equipment. The large interdisciplinary spacing of complex motor system design becomes the hotspot research problem of intelligent equipment. This project will explore a set of design theory system and method which are efficient and reliable by multiple lay researching such as electromagnetic calculations, electromechanical coupling, temperature field analysis, intelligent control and dynamics analysis. The main researches of this project are: (1) Research the motors’ electromagnetic performance calculation methods which are based on the demands of load performances for the complex motor system. (2) Research the mechanical coupling methods and dynamics analysis based on spatial constraint of equipment structure in the complex motor system. (3) Basing on the analysis of motor thermal loss, study the design methods of motor cooling system in the complex motor system. (4) Research the compound modeling method and optimization design method of the complex motor system by non-parametric modeling and global optimum theory. (5) Realize the precise location of mover initial position and the detection of whole-speed range by researching sensor-less position estimation and detection method of novel sensors. (6) According to the demands of load parameters, research the optimal control methods to realize optimal control of motor performances’ parameters. Design of the complex motor system is supported completely, systematically and effectually by the solutions for the forementioned key problems.

智能装备中的电机驱动系统多采用电机系统和装备系统的一体化设计，从而形成了复杂电机系统。复杂电机系统设计学科跨度较大，是智能装备设计中的一个热点研究问题。本项目拟从电磁计算、机电耦合、热场分析、智能控制、动力学分析等多个层面开展研究，为复杂电机系统设计探索一套高效的设计理论体系与方法。主要研究有：（1）基于负载性能要求，研究复杂电机系统中电机电磁性能计算方法；（2）基于装备结构空间约束，开展复杂电机系统机械耦合设计及动力学分析；（3）基于电机热损耗分析，开展复杂电机冷却系统设计方法研究；（4）基于非参数建模与全局最优理论，开展复杂电机系统复合建模与优化设计方法研究；（5）通过无传感器位置估计及新型传感检测，实现初始位置定位和全速范围检测；（6）根据负载参数要求，研究最优控制方法，实现电机性能参数的最优化控制。上述关键问题的解决，为复杂电机系统设计提供较为完整、系统、有效的理论支撑。

中国制造2025计划对智能制造装备提出了较高要求，而复杂电机系统设计又是其中重要研究问题之一。本项目以复杂电机系统中三自由度球形电机、新能源汽车驱动电机以及永磁直线电机系统为主要研究对象，分别从电磁计算、机电耦合、热场分析、结构与动力学分析、智能控制等多个层面开展研究。项目主要研究内容：（1）复杂电机系统中电机电磁性能计算方法研究；（2）电机系统机械耦合设计及动力学分析研究；（3）复杂电机冷却系统设计方法研究；（4）电机系统复合建模与优化设计方法研究；（5）基于无传感器位置估计及新型传感检测，实现初始位置定位和全速范围检测方法研究；（6）应用最优控制理论实现电机性能参数最优化控制研究。取得的重要结果：（1）提出了基于长短时记忆法等新方法在内的三自由度球形电机磁场与转矩新模型，以及采用多支持向量机拟合结构参数与运行性能之间关系并建立可用于优化计算的直线电机非参数模型；（2）完成新能源驱动电机电磁-热-结构耦合一体化仿真设计新体系，采用数值计算方法确定热模型中等效关键参数，有效提高了一体化设计热仿真模型精度；同时提出一种电磁阻尼-弹簧系统，实现了永磁直线电机推力波动耦合抑制；（3）研制了一种新型拓扑结构三自由度永磁球形电机样机，较传统样机气隙磁密增加8.6%，单位电流输出转矩提高14.3%，在Halbach阵列永磁体与定子非对称分布线圈新型球形电机结构研究中，经优化后输出转矩提升约150%，永磁体用量减少48%。同时采用全局最优邻域估计算法实现了直线电机结构参数优化；（4）采用MEMS和光电传感融合技术对全工况运行复杂电机转（动）子位置进行估算，建立半实物和全实物仿真和实验平台，取得了系列仿真分析和实验研究成果；（5）基于多种控制理论与算法研究，提出复杂电机系统最优转矩矢量控制及故障诊断方法，并在实际电机系统上予以实现。研究结果表明复杂电机系统呈现出典型多学科交叉特点，需进行更深入系统的理论及应用基础研究。