题目：高速高能量密度电机用磁轴承设计方法与实验研究

随着我国对节能减排、高端设备的需求不断发展，工业应用各领域迫切需求高速高能量密度电机。磁悬浮轴承由于无接触、无磨损、低噪音、可主动振动控制等优点，成为了高速高能量密度电机最佳的支承方式。然而，高转速、高能量密度的特点也给磁悬浮轴承的分析与设计技术带来了新的问题。一方面，转子的高速旋转会使得磁轴承铁心中产生涡流效应，使得磁轴承高频动态性能下降，严重时磁轴承将无法正常悬浮转子，而导致失稳。传统的磁轴承分析模型与设计方法基于静态电磁场，不考虑涡流效应，因此不再适用于高速转子的应用场合。另一方面，现有的磁轴承设计与分析方法主要针对主动磁轴承，支承对象为刚性转子。而高速直驱、高能量密度的发展趋势使得细长柔性转子电机，以及不需要控制系统的低功耗被动磁轴承得到了迅速的发展，也要求有相应的设计与分析方法。本文以高速高能量密度电机用磁轴承为研究对象，以磁轴承高频动态电磁场分析为基础，分别针对刚性、柔性两种转子类型及主动、被动两种磁轴承类型，从新结构的提出到优化设计方法等方面展开研究。

1、针对铁心涡流效应引起的磁轴承动态性能下降的问题，建立了高速磁轴承动态分析模型。通过对径向磁轴承叠片铁心和轴向磁轴承实心铁心中的涡流效应分析，建立了包含涡流效应的等效动态磁路模型。在此模型基础上，分析了磁轴承刚度的幅值与相位随频率变化的关系，研究了气隙长度、铁心材料等影响磁轴承动态性能的关键因素，为高速高能量密度电机用磁轴承优化设计提供了理论基础。

2、针对高速刚性转子电机对磁轴承短轴向长度、低功耗的需求，提出了适用于高速刚性转子的主动磁轴承结构方案和优化设计方法。以一种三自由度一体化永磁偏置磁轴承为例，建立了高速刚性转子用磁轴承动态分析模型。在该模型的基础上，分别从磁轴承的动态电磁性能、控制系统要求、以及转子动力学特性等方面提出了相应的设计约束条件。以序列二次规划法对磁轴承结构参数进行了多目标优化，得到了该磁轴承在轴向长度及风摩耗综合最小时的优化结果，满足了高速刚性转子电机对高模态、低风损的设计要求。该结构成功应用于30kW，66000 r/min高速刚性转子磁悬浮电机中，并通过实验验证了提出的分析模型和设计方法的有效性。

3、针对高速柔性转子过一阶临界转速时共振大，要求磁轴承在高速条件下具有足够阻尼能力抑制振动的问题，提出了一种双绕组径向主动磁轴承结构方案和基于动态电磁模型的优化设计方法。通过将偏置线圈与控制线圈分离，减小了控制回路的电感，提高了磁轴承的高频动态性能。针对磁轴承在穿越临界转速时的共振状态进行了动态磁路分析与计算，结合控制系统性能、柔性转子动力学特性提出了相应的约束条件。将遗传算法应用于双绕组径向磁轴承的优化设计中，以阻尼力最大为优化目标对整个磁轴承的设计进行了优化，使得柔性转子能够平稳地穿越临界转速。该结构成功应用于315kW，20000 r/min柔性转子磁悬浮电机中，并通过实验验证了提出的分析模型和设计方法的有效性。

4、针对被动磁轴承在高速电机应用中缺乏阻尼，没有抑制高频振动能力的问题，提出了适用于高速应用条件下的被动磁轴承结构及其优化设计方法。提出了新型高集成的磁轴承和阻尼器一体化方案，通过将刚度和阻尼集成于同一个电磁部件中，达到了减小体积重量的目的。分別针对轴向、径向被动磁轴承及其阻尼器系统，提出了相应的动态电磁解析模型，重点分析了被动系统在抑制转子振动时的动态性能。结合转子动力学特性分析，在动态电磁模型的基础上，进行了设计参数的优化从而实现了被动磁轴承在高速高能量密度电机中应用的目标。最后设计并加工了被动试验器对该分析模型及设计方法进行了验证。