抗磁悬浮微型电机稳定机理与驱动方法研究

基本信息
批准号:51905263
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:27.00
负责人:徐园平
学科分类:
依托单位:南京航空航天大学
批准年份:2019
结题年份:2022
起止时间:2020-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:
关键词:
稳定性抗磁悬浮微型电机静电驱动
结项摘要

Micro motor is the core equipment of energy conversion, function driving and precision control in MEMS systems. However, the friction problem is becoming seriously with the scale reduction, which directly limits power output, reduces stability, and even induces system early failure. The diamagnetic levitation technology possesses the frictionless, passive self-stabilization and small shape merits, which is an effective way to solve the friction problem of micro motor. However, the dynamic stable suspension principle and high-speed driven method have not yet been systematically resolved, which restrict its further development. To reveal the dynamic stable suspension principle, a multi-energy domain coupled model including permanent magnetic field, electrostatic field and force field is proposed in this project. The constitutive relation and transmission law for the diamagnetic levitation force will be derived using Hamiltonian potential function. To acquire the high-speed driven method, a voltage-induction synchronous electrostatic driven system is proposed. Based on the capacitance coefficient matrix method, the mapping relationship between electric field energy, electrostatic force, torque, and design parameters will be obtained and optimized. As key technologies, the multi-energy domain coupling stability design and high-speed voltage-induction synchronous electrostatic driven method will be figured out and a systematic diamagnetic suspension motor design method will be established in this project, providing a new development path for high-speed micro motor system.

微型电机是MEMS系统中能量转换、功能驱动、精密控制的核心设备,但其摩擦问题随尺度的降低急剧凸显,直接制约了功率输出、降低了稳定性,甚至诱发系统提前失效。应用抗磁悬浮技术尺度效应下无摩擦、被动自稳定的特性是解决微型电机机械摩擦问题的一种有效途径,但制约其进一步发展的动态稳定悬浮机理与高速驱动方法涉及多能域耦合、多学科内容,尚未得到系统性的解决。本项目针对上述关键问题,提出通过构建多能域永磁场、静电场和力场间的耦合模型,采用哈密顿势函数表征动态抗磁悬浮力的本构关系和传递规律,揭示动态稳定悬浮机理;提出通过构建电压感应式同步旋转静电驱动系统,基于电容系数矩阵法,获得电场能量、静电力及转矩与设计参数的映射关系并进行优化设计,掌握高速静电驱动设计方法。本项目将突破多能域的耦合稳定性设计、电压感应式同步高速静电驱动等关键技术,建立系统性的抗磁悬浮电机设计方法,为高速微型电机提供一条新的发展途径。

项目摘要

高精度的位姿调节与测量是微型无人机实现精密定位捕获、探测等军事任务的重要前提。但现有微型电机及倾角传感器由于结构的摩擦效应,直接制约了功率输出及角度检测精度的发展。应用抗磁悬浮技术无摩擦、被动自稳定的特性是解决微型器械机械摩擦问题的一种有效途径,但制约其进一步发展的动态稳定悬浮机理、高速驱动方法与精密传感检测涉及多能域耦合、多学科内容,尚未得到系统性的解决。本项目针对上述关键问题,提出通过构建多能域永磁场、静电场和力场间的耦合模型,揭示抗磁悬浮系统动态稳定悬浮机理;提出通过构建介电弛豫式静电驱动系统,基于电容静电能原理,获得电场能量、静电力及转矩与设计参数的映射关系并进行优化设计,掌握高速静电驱动设计方法,实现400-1000 V电压区间0-400 rpm全转速范围内平稳运转;获得倾角传感系统输入输出角度测量模型,实现抗磁悬浮传感系统±0.640º微小角度区间5.590 mm/º高灵敏高精度精确测量。本项目突破了多能域的耦合稳定性设计、介电弛豫式高速静电驱动、高精度角度检测方法等关键技术,建立系统性的抗磁悬浮电机及抗磁悬浮倾角传感系统设计方法。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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