开关磁阻电机直驱式燃料电池车用离心压缩机系统的声振机理研究及控制

Based on the national major requirements for the development of fuel cell vehicle industry in the future and focusing on the issues of vibration and noise generated during the use of the centrifugal compressor system directly driven by switched reluctance motor, four fundamental research topics involving centrifugal compressor, switched reluctance motor and the rotor system are proposed in this project. The first topic is to investigate the mechanism of the rotating stall and surge of centrifugal compressor, then the active surge control method under various driving conditions is proposed. The second topic is to analyze the time-varying inner mechanism of the severely saturated magnetic field and electromagnetic noise of switched reluctance motor under heavy and variable load conditions, then the control strategy of low vibration and noise of switched reluctance motor is put forward. The third topic is to establish the electro-magnetic-fluid-structure coupling nonlinear dynamics model of the rotor system and investigate the nonlinear dynamic response of the multi-fields coupling model. The fourth topic is to reduce the vibration and noise of the centrifugal compressor system through the corresponding structural optimization method and the active control strategy. This research program provides novel theories and control methods that helps the independent development and industrialization of the air compressor system for fuel cell vehicle.

立足国家未来燃料电池汽车产业发展重大规划需求，面向关键零部件“开关磁阻电机直驱式燃料电池车用离心压缩机系统”服役过程中的振动噪声问题，开展涉及离心压缩机、开关磁阻电机及转子系统三方面的四个关键基础问题研究。探索时变工况下离心压缩机的旋转失速与喘振的产生机理，提出适合车用工况的离心压缩机喘振控制方法；剖析大负载、变工况下开关磁阻电机的严重饱和磁场和电磁振动噪声时变内在机理，提出电机低振动噪声控制策略；分析多种激励综合作用下高速离心压缩机系统的振动特征，揭示多场耦合作用下的转子非线性动力响应规律；立足于离心压缩机系统低振动噪声控制，提出相应的结构优化方法及主动控制策略。为燃料电池汽车的空气压缩机系统的自主开发及产业化提供新理论及方法。

本项目针对开关磁阻电机直驱式燃料电池车用离心压缩机系统的声振机理研究及控制问题进行研究，主要分析了离心压缩机、开关磁阻电机、磁轴承转子系统的声振特性并提出了相应的减振降噪策略。.研究工作主要分为以下四方面内容：（1）车用工况下离心压缩机失速与喘振的机理研究及半主动扩稳的方案设计，具体包括a）通过台架实验探究离心压缩机的性能；b）建立了离心压缩系统动力学模型；c）研究了离心压缩机喘振的机理；d）提出了半主动扩稳方案；（2）开关磁阻电机的振动噪声机理分析，具体包括a）建立了电磁力的解析模型；b）偏心对电磁力的影响分析；c）建立了考虑电流谐波的开关磁阻电机转矩波动解析模型；d）探究了开关磁阻电机电磁力的时空特性；（3）高速离心压缩机系统用磁轴承转子系统解耦控制方法研究，具体包括a）设计了磁轴承的解耦结构方案；b）设计了磁轴承转子系统的解耦控制系统；c）对比分析不同的控制方法并提出了最优的不平衡转子控制方法；（4）高速离心压缩机系统的振动噪声抑制方法设计具体包括a）提出了离心压缩机喘振主动控制策略；b)优化设计了燃料电池车用消声器；c）研究了转矩波动抑制方法；d）基于电流波形重构法抑制了开关磁阻电机的噪声。.本研究提出的消声器对于燃料电池车用离心压缩机的降噪量可以超过10 dB。基于该项目，团队发表了论文36篇，其中SCI刊源发表26篇，EI刊源发表10篇，SCI刊源录用2篇。团队申请发明专利7项，其中2项已被授权，5项处于公开阶段。在人才培养方面，依托该项目16名研究生确定其课题内容，其中博士研究生7名，2名已毕业；硕士研究生9名，9名已毕业。.本项目以开关磁阻电机直驱式燃料电池车用离心压缩机系统为研究对象，从离心压缩机、开关磁阻电机和磁轴承等方面透彻分析了离心压缩机系统存在的振动噪声来源，并提出了多种减振降噪方案，具有理论意义和学术价值；项目给出的离心压缩机减振降噪方案具有实际的工程意义。