论文摘要：基于变偏置电流的磁悬浮电动机纯电磁轴承低功耗控制研究

磁悬浮高速电动机是集机械、电磁和控制理论于一体的典型机电一体化产品，以其效率高、功耗低、寿命长、可靠性好等优点，成为大功率高速电机的重要发展方向之一。磁悬浮轴承是其核心部件，在近几十年里取得了显著的发展，在工业和航天领域都进行了成功的应用。但是，磁悬浮轴承比机械轴承增加了额外的铁耗和铜耗，且在大功率场合功耗较为严重。电磁轴承的线圈铜耗由控制电流和偏置电流产生，是磁轴承功耗的重要组成部分。因此，为了降低纯电磁轴承功耗，本文提出了变偏置电流控制方案，并对该方案进行了详细的实验研究。本课题结合财政部重大科技成果转化项目，针对上述问题主要进行了以下几个方面的研究：(1) 建立纯电磁轴承和纯电磁轴承-转子系统力学模型，对纯电磁轴承功耗特性进行分析，并对加载偏置电流和控制电流方案进行了对比，同时对固定偏置电流控制方案进行了实验研究。(2) 通过对磁悬浮轴承系统的理论分析和实验研究，为了降低纯电磁轴承功耗提出了两种变偏置电流的控制方案。自适应变偏置电流的控制方法，根据磁轴承功耗与偏置电流的关系，结合约束条件，得到了最低功耗时偏置电流关于转子位移的函数表达式；偏置电流分段控制是根据转子位移大小来划定偏置电流分段区间，涉及零偏置电流控制，小位移线性化和固定偏置电流控制。(3) 分别对变偏置电流控制方案和偏置电流分段控制方案进行了建模仿真，并确定了变偏置电流控制的整体方案。结合实验室现有4kW高速悬浮电动机对两种变偏置电流控制方案进行了实验研究，分析了纯电磁轴承转子起浮状态、起浮线圈电流、升速线圈电流和降速功耗等性能指标。结果表明：两种变偏置电流控制方案均可以使纯电磁轴承系统稳定运行，同时可以大幅较低轴承功耗。