单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻飞轮电机运行机理与控制研究

To resolve technical problems of suspension loss and high-speed operation in fly-wheel energy storage systems, this project presents a new single-winding hybrid-outer-rotor bearingless switched reluctance motor. Without changing the original structure and power, the ultra-low-power radial suspension and motor/ generator operation are realized directly through some control strategies, which improves the radial suspension force, critical rotational speed, and power density, and which reduces the loss and volume of fly-wheel energy storage systems. The research of this project is focused on some problems related to the operation performance and control of single-winding hybrid-outer-rotor bearingless switched reluctance motors. The relationship between operation principle, electromagnetic characteristics, system performance and motor parameters is first studied, and then the optimal design method of concerned parameters is researched. The operation principle and hybrid numerical modeling strategy considering rotor eccentricity and magnetic saturation is studied, and then the exact mathematical model is built when this system operates in motor/suspension and generator/suspension statuses respectively. The emphasis is placed on the high-speed, high-efficiency and disturbanceless control strategy in both composite operation conditions, and the theory and method of nonlinear multi-variable dynamic decoupling strategy between suspension, motor operation and generator operation, and the closed-loop operation control. This project presents a new realization and control method of fly-wheel energy storage systems, which is of vital significance to resolving the related technical problems in fly-wheel energy storage systems and speeding up the development of practical application.

针对飞轮储能系统悬浮支承损耗与高速运行等技术难题，项目提出了一种单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻飞轮电机，在不改变电机结构与功率的基础上，通过控制，直接利用电机实现超低功耗的系统径向悬浮支承和电动、发电运行，大幅减小飞轮储能系统损耗与体积，也提高系统的径向悬浮能力、临界转速与功率密度。 项目围绕系统运行机理与控制的相关问题开展研究，主要研究不同模态下的运行机理，电磁特性，性能与电机主要参数的关系，与相关参数的优化设计方法；研究在转子偏心和磁路深度饱和下的机理与数值混合建模方法，建立电动/悬浮、发电/悬浮两种模态下的精确化模型；依据结构参数与模型分析，着重研究两种复合运行的高速、高效无扰动的控制策略，悬浮、电动、发电之间的非线性多变量动态解耦与运行控制的理论方法。 该项目是飞轮储能系统一种新的实现与控制方法，对突破飞轮储能系统的诸多技术难题，加快实际应用开发均具有重大意义。

项目提出了单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻飞轮电机实现策略，分析了该电机电动悬浮、发电悬浮与空载悬浮运行机理及其电磁动力学特性，采用有限元方法分析得到性能随关键参数变化的一般规律，并提出了基于参数敏感性分析和智能优化算法的电机参数协同优化设计方法，设计了电机关键电磁结构参数，解决了该电机电磁设计问题；分析了飞轮转子偏心和磁路饱和对飞轮支承和传动系统模型的影响，研究提出了机理与数值建模相结合的混合建模算法，并构建了电机在偏心和磁饱和下的电磁模型，弥补了现有模型在复杂工况下的模型失配问题；重点研究了电机在电动悬浮、发电悬浮和空载悬浮下的三态运行控制策略，分别提出了分相励磁控制、自抗扰逆和全域解耦的磁悬浮开关磁阻电动机高性能非线性解耦控制算法，以及基于励磁-发电 “两相同步”的发电运行机理与不对称励磁方法，解决了电机发电悬浮运行时发电效率低、励磁功率不对称和悬浮力补偿问题，实现了电机电动悬浮和发电悬浮下的稳定旋转、发电和悬浮，提升了系统运行效率和可靠性。在完成既定任务基础上，项目还研究了磁悬浮复合支承系统设计以及高速数字控制系统设计等实用性内容，对推进单绕组混合外转子磁悬浮开关磁阻电机在飞轮储能系统中的实际工程应用具有重要意义。. 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、数学模型构建与高性能解耦控制算法等方面取得了重要突破，在相关理论方法和成果支撑下获得教育部技术发明二等奖1项，申请发明专利14项，授权发明专利9项，在国内外学术刊物和国际会议上共发表论文34篇，其中SCI、EI检索21篇，培养青年教师获省级各类人才荣誉3人次，培养博士毕业生2名、硕士毕业生8名。