基于无源性理论的无轴承开关磁阻电机柔性转子非线性振动主动控制策略研究

This project will build and solve the dynamic model of the flexible rotor nonlinear system of bearingless switched reluctance motor (BSRM),and reveal the relationship between the stability, critical speed, electromagnetic parameters and control parameters through theoretical analysis, numerical simulation and experiment research on the dynamic characteristics of the flexible rotor of BSRM. After deriving the port controlled Hamiltonian model of the electromechanical coupled dynamic system of BSRM, an adaptive passivity-based control strategy on the levitation force and the electromagnetic torque will be proposed based on passivity-based control theory to achieve coordinated control for the stablity and variable speed of flexible rotor of BSRM. Besides,the project will analyze the nonlinear electromagnetic field and nonlinear radial force of BSRM comprehensively, reveal the basic law of the nonlinear vibration of the electromechanical coupled dynamic system constructed by the stator and rotor of BSRM, and investigate active vibration control method for reducing the stator nonlinear vibration in BSRM. The multi-parameter design system of BSRM including its electromagnetism design ,loss calculation , structural stress analysis , rotor dynamic characteristics analysis and noise analysis will be established to realize the overall optimization design of the system including BSRM, the power converter and the digital controller,and the vibration control experiment platform of BSRM will be developed. The project will lay a theoretical and technological foundation for BSRM to play its specialty in high-speed and ultra-high-speed fileds.

建立无轴承开关磁阻电机（BSRM）柔性转子非线性系统的动态模型,对BSRM柔性转子的动力学特性进行理论分析、数值仿真、实验研究, 揭示其稳定性、临界转速与电磁参数及控制参数之间的关系；建立BSRM机电耦联动力系统的端口受控哈密顿模型，提出基于无源性理论的BSRM 悬浮力及电磁转矩自适应无源非线性控制策略以实现BSRM柔性转子稳定悬浮和调速协调控制；在分析BSRM非线性电磁场和非线性径向力的基础上, 揭示BSRM定转子构成的机电耦联动力系统非线性振动的基本规律，研究有效抑制BSRM定子非线性振动的主动控制策略；建立包括电磁设计、损耗计算、结构应力分析、转子非线性动力学分析、噪音分析在内的BSRM多参数综合设计体系，实现BSRM本体、功率变换器及其数字控制器整体优化设计并研制BSRM振动控制实验平台，为BSRM在高速、超高速范围内应用发挥其特长奠定理论基础和技术基础。

无轴承开关磁阻电机（BSRM）在高速、超高速电机领域具有广阔应用前景。项目提出改进的BSRM麦克斯韦应力法数学建模积分路径，建立了计及磁路饱和、边缘扩散效应和径向相互垂直方向悬浮力之间耦合的BSRM解析模型；提出主绕组关断角可调节的BSRM转子悬浮与调速协调控制策略，适应了不同工况下悬浮和调速协调控制需求；设计了BSRM转子机械子系统无源控制器，并加入积分环节消除系统控制静差，将提出的一种多开端调节布谷鸟搜索算法应用于注入阻尼和积分环节参数优化，提高了悬浮与调速协调控制系统的性能；对BSRM转子动力学进行了分析，揭示了悬浮支撑等效刚度、阻尼对临界转速和谐响应的影响，提出一种基于模糊推理变参数无源控制器的BSRM转子主动振动控制策略，提高了BSRM高速运行通过临界转速的安全裕度和平稳性；提出以弹簧模拟SRM绕组与铁心之间柔性连接的建模方法，并将其推广，提出合理计及转矩绕组、悬浮绕组对定子质量和刚度双重影响的双绕组BSRM定子模态有限元建模方法；提出在转子两侧加装小于转子外径尺寸封盖的局部封闭凸极转子结构，揭示了不同封盖尺寸对风摩转矩和对流热阻的影响，为高速BSRM转子既抑制风摩损耗又改善对流散热状况的结构优化设计打下了基础；建立了便于优化设计中进行热分析的BSRM集总参数简化热路模型；构建了包括电磁设计、铁损和风摩损耗等损耗计算、结构应力分析、转子动力学分析在内的高速BSRM多物理场一体化设计方法，以单位质量转矩和效率为优化目标并以设计的多目标遗传粒子群算法为求解器，建立了BSRM多物理场多目标优化设计框架和流程；以BSRM独立控制策略为例，提出BSRM本体与控制策略一体化多目标优化设计方法，为进行BSRM本体、功率变换器及其数字控制器整体优化设计打下了基础；研发了2自由度悬浮的三相12/8双绕组BSRM实验样机及其数字控制系统实验平台，进行了实验研究。本项目的研究成果为BSRM在高速、超高速范围内应用发挥其特长打下了理论基础，对促进当代高速电机和非线性振动主动控制技术的发展具有重要意义。