无轴承永磁电机直驱精密电主轴关键技术研究

成果编号：33515

价格：面议

完成单位：江苏大学，镇江远东电讯电机有限公司

单位类别：其他高校

完成时间：2020年

成熟程度：其他

服务产业领域：装备制造

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发布人：受理处在线

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传统的电机都能实现无轴承技术，且在集成磁轴承优点基础上，延续其自身固有特性，其中永磁电机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，没有直流电机的换向器和电刷等优点。和交流异步电机相比，由于不需要无功电流，因而效率高，功率因素高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减少，且转子参数可测、控制性能好。和普通同步电机相比，省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。特别是永磁同步电机气隙磁场为正弦波，矢量控制策略能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速和定位控制。与磁悬浮技术结合，集成形成无轴承永磁电机，对解决众多高速精密的电气驱动问题具有重要意义，开展这种无轴承电机的研究更具有重要的理论和工程应用价值。但是无轴承永磁同步电机明显的非线性、强耦合的多输入多输出系统，为了实现无轴承同步电机稳定可靠工作，必须分别独立控制磁轴承的径向悬浮力、轴向悬浮力、电机径向悬浮力和电磁转矩。项目围绕电机结构参数协同设计、精确建模、非线性解耦控制及无传感技术等关键基础开展研究，取得了很多创造性成果，申请和授权发明专利30件（目前授权发明16件，授权PCT 2件），发表论文30余篇，其中SCI检索14篇，Ei检索16篇，本项目的研究达到了预期目标。

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成果介绍

科技计划：省部级：江苏省重点研发计划——产业前瞻与共性关键技术

成果形式：其他

合作方式：技术转让、其他

参与活动：

专利情况：正在申请 ,其中:发明专利 30 项
已授权专利,其中:发明专利 20 项
专利号:
ZL201910160397.3

成果简介

综合介绍

创新要点

项目集成永磁同步电机、无轴承永磁同步电机和磁悬浮轴承等优点，围绕具有异步起动的无轴承永磁同步电机直驱精密主轴系统高速度、高精度、数字化、低能耗及低成本等目标，研究样机设计、非线性解耦、无传感软测量技术以及高速数字化实现技术的理论和方法。采用模糊-神经网络逆实现磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴多变量非线性动态解耦控制，神经网络软测量技术实现无位移/无速度传感器自检测技术均在国际上属首次提出，本项目创新点：（1）针对磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密转子结构强度及振动模态等参数分析，在电磁参数及电磁损耗等优化设计基础上，基于虚拟样机技术，提出和形成无轴承永磁同步电机直驱精密主轴结构和参数多变量协同优化设计的理论框架和具体方法。（2）针对磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴系统悬浮力相互之间、悬浮力和电磁转矩之间的非线性耦合特点，提出通过模糊调节器离线训练和在线调整神经网络权值来构建被控对象的逆模型，采用模糊-神经网络逆实现非线性动态解耦控制的理论与方法。（3）针对机械式转速、位移传感器存在安装、测量速度和精度、可靠性及成本等问题，难以满足高速精密悬浮运行的要求。提出基于神经网络软测量的磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴无速度/无位移传感器自检测运行的理论和实现方法。

技术指标

项目在磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴系统关键基础技术研究方面取得多项原创成果，围绕具有异步起动的永磁体内置混合式新型磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴系统高速、高精、高效、高可靠性、数字化、低功耗和低成本等要求，提出和形成解决问题的理论和实现方法，为发展磁悬浮高速精密驱动系统和以无轴承永磁同步电机为代表的无轴承悬浮高效精密驱动系统提供基础理论、方法和应用技术支持。具体主要技术成果包括：（1）完成磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴机械结构和异步启动永磁同步电机结构及多参数协调优化设计，形成磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴样机设计理论和方法。（2）完成磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴数学模型和状态方程的建立，采用神经网络逆和模糊规则，构建电主轴模糊神经逆，研究无轴承永磁电机多变量非线性动态解耦控制算法和实现方法，完成悬浮力和电磁转矩之间多变量非线性动态解耦算法和内模鲁棒控制器研究。（3）完成磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴无速度/无位移传感器神经网络软测量理论和实现方法的研究。（4）以实现无轴承永磁同步电机直驱精密主轴系统高速精密可靠运行为目标，研究满足高速化、高可靠性、低成本、低能耗等运行要求的无轴承永磁同步电机直驱精密主轴数字控制系统硬件和软件实现方法与技术。完成磁悬浮无轴承永磁同步电机直驱精密主轴系统的优化及数字控制系统的软硬件设计和实验调试工作，完成相关动静态性能测试与分析等工作。

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