考虑液-固耦合的复合驱动多自由度电机的基础理论及实验研究

The fluid-suspension technology has a special advantage for the multi-DOF motors. This project studies the design theory and experiment method of a combination drive motor that can achieve multi-DOF motion based on the fluid-suspension mechanism and apply the fluid-solid coupling analysis with the 3D combination positioning drive control technology to the motor to construct integrated bionic drive component with high reliability and practicality. The main research content includes: the electromagnetic and fluid forces’s models exerted on the rotor with fluid conditions and their effects on the motor’s performance; the key parameters’ optimization and non-parametric modeling with spatial and force constraints; the establishment of fluid-solid coupling model of the motor, and investigation on the mechanism and effects of the coupling; building the complete rotor system dynamic model considering the coupling factors with proposing the coarse-fine combined positioning control and torque distribution strategy; the photoelectric orientation detection methodology under fluid confined conditions and the motion characteristics analysis of the suspension spherical rotor; the drive control system design and experimental methodologies studies. This research breaks the traditional frameworks with conducting research and exploration based on the new concept of fluid-suspension. The research fruits will play a significant innovation and progress effects on the in-depth study and practical application of the multi-DOF motor and bionic drives, and also lay a theoretical and experimental basis for establishing the cross-disciplinary research of multi-DOF motors.

液质悬浮技术在多自由度电机中的应用具有独特优势。研究一种基于液质悬浮机理工作的复合驱动多自由度电机的设计理论与实验方法，并进一步将液-固耦合分析和三维复合定位驱动控制技术应用在该电机中，以期从结构和性能角度构造高可靠性、实用化的仿生驱动一体化部件。研究内容主要包括：液质条件下转子所受电磁与液力作用模型及其对电机性能的影响；受限空间和力能约束条件下关键参数的优化与非参数建模；构建电机的液-固耦合模型，探讨耦合的机理与影响；建立考虑耦合因素的完整转子系统力学模型，提出并采用粗-精结合的复合定位控制及转矩分配策略；密闭液质环境下转子位置的光电检测方法与悬浮球转子运动特性分析；驱动控制系统的设计和实验方法的研究。本研究突破传统框架，以液质悬浮的全新概念进行研究与探索，研究成果将对多自由度电机和仿生驱动的深入研究与实际应用起到显著的创新推动作用，为多自由度电机的交叉学科研究提供理论与实验基础。

在综合分析国内外多自由度电机的基础上，基于液-固耦合和机电能量转换原理，提出了一种新型液质悬浮和混合驱动的多自由度电机研究方案。将液质悬浮的特性与球形多自由度电机的设计思想相结合，并进一步将液-固耦合分析和三维复合定位驱动控制技术应用在该电机中，从结构和性能角度构造高可靠性、实用化的仿生驱动一体化部件。在保证多自由度电机原有性能的基础上，通过改变原有的支承方式，拓展液体轴承技术，实现转子的悬浮运行，完全消除定转子之间的摩擦，通过多物理场混合驱动，分别实现了转动及悬浮的功能。借助多维运动电机设计与控制技术，实现实用化设计目标，以全新的概念构建一体化的驱动装置。项目通过分析电机的结构及工作原理，根据解析法推导出了电机的数学模型，详细分析了内部存在磁场及转矩等参数的变化，通过有限元法建立了电机的三维仿真模型，对电机的电磁特性有了更深入的了解；在此基础上，深入分析了电机运行过程中的运动特性和产生的损耗及温升情况；利用虚拟样机和非参数建模的思想，对电机的结构参数进行了优化和控制仿真，并对改进模型的振动、噪声进行了深入分析；针对悬浮驱动装置，着重对液质油膜与定转子之间的流-固耦合特性进行了数值模拟与实验；此外，还提出了实用化的偏转式双定子开关磁阻发电机以及压电-电磁混合驱动多自由度电机，并对电机内部无线传输及锂电池储能装置进行了深入研究，构建了适合风电应用的系统。在理论分析的基础上，设计开发了多种类型的样机，将理论分析、仿真计算、实验研究相结合，进行了实验验证。该项目研究是电机学科以及机械等学科的交叉前沿课题，使得多自由度电机运行损耗减少，加上液体轴承的特殊性，使电机控制能力更强，在抗振、减少噪声方面也存在很大的优势，为具有自主知识产权的复杂运动电机研制开发和实用化奠定了理论和实验基础，对学科的发展起到积极的促进和推动作用。