新型双定子磁悬浮开关磁阻电机的电动/发电机理及其运行控制

Bearingless switched reluctance motors can realize electromotion/generation in high speed and superspeed without lubrication, so they have wide prospects. However,there exists nonlinear strong coupling between suspension force and rotary force, which is very hard to decoupling and has formed the main bottleneck that restricts the popularization and application of this technique. A novel double-stator bearingless switched reluctance motor is proposed in this project, then its electromotion/generation mechanisms and control methods will be studied. Main works are as follows: Firstly, magnetic field and coupling characteristics will be analyzed. Secondly,key parameters will be designed based on the LS-SVM and PSO algorithms. Thirdly,the mathematical models of suspendsion force, rotation force, voltage and power output will be set up under electromotion/ generation state. Fourthly, with SVMI nonlinear decoupling methods, the running strategy anf control algorithms for speed regulation under electromotion state and voltage and power output inferential control for generation state will be studied, and then detection and control algorithms will be calculated, disintegrated, and modularized. Finally, high speed parallel signal system and corresponding conreol software will be contrusted. This project combines theory and technique tightly, and can lay the foundation for solving the bottleneck problems of bearingless swithed reluctance motors and pushing for engineering application.

磁悬浮开关磁阻电机可以高速及超高速电动/发电运行，且无需润滑装置，具有广阔的应用前景。然而其悬浮力与旋转力呈复杂的非线性强耦合关系，系统解耦控制难，成为了制约该技术推广应用的主要瓶颈。本项目以一种新型的双定子磁悬浮开关磁阻电机为研究对象，针对其电动/发电机理及运行控制方法开展研究。具体包括：理论分析与计算磁场特性、绕组之间的耦合关系及影响程度；基于最小二乘支持向量机法和粒子群优化算法，优化设计电机关键参数；建立电动/发电状态悬浮力、旋转力、发电输出电压及功率的数学模型；采用支持向量机逆系统的方法实现悬浮力与旋转力的非线性化解耦，研究电动调速的运行策略和控制方法，以及发电状态的输出电压及功率的推断控制方法；研究系统检测及控制算法的分解和模块化规划，构建高速并行数字系统及相应的控制软件。项目内容将理论与相关技术紧密结合，为有效解决磁悬浮开关磁阻电机瓶颈问题，推进工程应用奠定理论和技术基础。

项目提出并研究了一种双定子磁悬浮开关磁阻电机电动/发电运行机理及运行控制策略。分析了磁悬浮电机的电磁动力学特性，建立了悬浮力、旋转力和发电电压的参数模型以及基于极限学习机的非参数模型，然后以数学模型为基础，推导了磁悬浮电机主体尺寸计算公式，并结合和声混沌搜索算法进行结构参数优化，采用带精英策略非支配排序遗传算法进行了多目标优化设计，解决了磁悬浮电机数学模型构建及多参数复杂优化设计问题；针对磁悬浮开关磁阻电机内普遍存在的非线性、多变量、强耦合的特点，研究了基于线性二次型最优逆系统的解耦控制、支持向量机逆系统方法与内模控制相结合的非线性解耦控制，以及瞬时悬浮力与平均转矩分相产生等控制方法；重点研究了磁悬浮开关磁阻电机不同运行状态下的控制策略，研究了转子的稳定悬浮控制以及电机转矩控制算法，励磁与发电过程采用周期性分时控制，通过调节励磁电流来控制发电运行的输出电压与输出功率。在完成既定任务的基础上，项目还研究了磁悬浮开关磁阻电机的转子位移/位置自检测、磁轴承变饱和柔性变结构控制及转子位移预测、无轴承异步电机的非线性解耦控制等相关内容方面，并取得了一定进展。.本项目为应用基础研究项目，理论与实际联系紧密，学科交叉性强，在理论与方法上均有创新，尤其在磁悬浮电机电磁特性分析与参数优化设计、精确数学模型构建与解耦控制算法等方面取得了一定进展，申请发明专利8项，授权发明专利4项，发表相关学术论文19篇，期中EI收录9篇，设计典型实验样机1台和数字控制系统1套。