无轴承电机是将轴承支撑与转矩输出功能集成于一体的新型电机，是高速电机研究领域的重大突破。其中永磁型无轴承电机因其功率密度大、悬浮功耗比小、效率高和体积小等优势而受到广泛重视。由于传统无轴承电机一般只能实现两自由度的主动悬浮，在构造五自由度全悬浮的磁悬浮电机系统时，需要额外附加轴向磁轴承，因此系统体积较大，轴向利用率低。本项目研究中首次提出一种采用交替极永磁电机来实现轴向与径向悬浮均主动控制的新型磁悬浮电机结构，电机构造更为紧凑，功能更趋完善。其中为解决三自由度主动悬浮中轴向与径向悬浮之间、转矩控制与悬浮控制之间的耦合性难题，采用解析法和场-路结合的方法建立轴径向悬浮与转矩的数学模型，并利用三维电磁场有限元仿真分析耦合性问题，优化电机本体设计，进而从控制的角度实现三者解耦。本项目研究将为无轴承电机在高速驱动领域的实用化奠定良好的基础，对我国在此领域实现自主创新和赶超世界先进水平具有重要意义。

无轴承电机利用磁轴承和电机结构的相似性，将转矩输出功能和悬浮功能集成于一体，不仅继承了磁轴承无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声等特点，也解决了磁轴承电机体积过大的问题，为电机驱动高速化领域开辟了新的发展方向。 相较于其他类型无轴承电机，永磁型无轴承电机具有功率密度大、寿命长、效率高和体积小等特点，在飞轮储能、涡轮分子泵、高速离心机以及航空航天等领域更具实用化优势，已成为电机驱动高速化研究领域的热点之一。 然而目前单个的无轴承永磁电机一般只能实现径向两个自由度的悬浮，能够实现转子三自由度稳定悬浮的磁悬浮机构均存在较多缺陷。本项目提出了一种能够实现径向和轴向三个自由度主动控制悬浮的新型无轴承电机结构，该新型无轴承电机集成度更高，进一步提高了轴向空间利用率，更易于实现大功率超高速运转；并且采用交替极结构的无轴承电机实现径向悬浮，具备固有的悬浮控制与转矩控制解耦特性，悬浮控制模型简单，大大降低了控制系统设计难度。 本项目着眼于积极推动永磁电机无轴承技术在高速离心泵、风机、主轴电机、飞轮贮能等领域的实用化，以从电机本体的角度实现简化无轴承电机系统的机械结构，降低整个系统体积与成本为研究目标而开展的基础研究，主要完成了以下研究工作： (1)掌握和完善了无轴承交替极电机的工作原理和基本理论，初步建立了三自由度无轴承永磁电机的径向和轴向悬浮的数学模型，构建了基于MATLAB/SIMULINK的转矩控制和轴/径向悬浮控制子系统的仿真模型，仿真结果验证了理论和控制算法的正确性。 (2)利用数值解析法，建立了无轴承交替极永磁电机空载气隙磁场的全局解析模型。运用解析法求解出的空载气隙磁场结果与有限元分析结果对比显示，解析法获得的气隙磁密波形与有限元法波形较吻合，验证了全局解析模型的正确性和可靠性。同时基于摄动法推导并求解偏心情况下的无轴承交替极电机解析模型，气隙磁通密度的解析结果与有限元结果相吻合，证明了偏心模型的正确性和有效性。 (3)完成了三套基于功率集成模块（IPM）和MOSFET的转矩控制、径向悬浮控制、轴向悬浮控制功率系统的硬件设计与调试；完成了三套基于DSP的数字控制系统硬件设计与调试，为整个控制系统硬件的顺利集成和调试打下坚实基础。 (4)完成了一台三自由度悬浮无轴承永磁电机实验样机的设计、制作与安装调试，并完成了电机转矩控制与径向与轴向单个自由度的悬浮控制实验 2100433B

基于磁悬浮技术、电机技术及机器人关节技术，提出并研制一种多自由度磁悬浮球形主动关节系统。从理论上分析磁悬浮球形主动关节既产生支承球形关节的径向悬浮磁力，同时又产生驱动球形关节多自由度转动的切向磁转矩的工作机理。推导磁悬浮球形主动关节产生的径向悬浮力和任意自由度方向的切向磁转矩公式，并通过简易的模型实验对关节进行稳定悬浮和旋转驱动的实验验证。用有限元法分析方法计算磁悬浮球形主动关节磁场各参数的分布规律和磁场间的耦合关系，对磁路结构进行优化，设计主动关节的本体结构。根据本体结构的特点，用空间转子动力学分析方法建立磁悬浮球形主动关节系统的动力学耦合模型，设计系统的自检测解耦控制系统并进行系统仿真优化，为磁悬浮球形主动关节的原理论证和设计计算提供依据。最终制造出本体样机，根据仿真结果设计和构建自检测解耦控制系统，并进行磁悬浮球形主动关节的实验。

飞轮蓄能发电设备的旋转摩擦损耗较大，为了减少旋转摩擦损耗，所以一般都采用磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是飞轮储能系统的关键部件。磁轴承根据磁场性质的不同主要分为被动磁悬浮轴承(PMB)和主动磁悬

浮轴承(AMB)两种：

(a)被动磁悬浮轴承

被动磁悬浮轴承有代表性的是高温超导磁悬浮轴承。无源磁悬浮轴承磁场通常是不可控的。传统的超导体无法满足磁轴承的要求，但是自从高温超导体Y(钇)系发现以来，制造高温超导磁轴承成为可能。永久磁铁安装在飞轮上，高温超导体安装在底座上并用液氮冷却，利用超导体的特性之一的Meissier效应(超导抗磁性)。永久磁铁的磁通被超导体阻挡而产生排斥力，使飞轮处于悬浮状态。

(b)主动磁悬浮轴承

主动磁悬浮系统主要是电磁悬浮系统。电磁悬浮轴承系统主要由转子、电磁铁、传感器、控制系统、功率放大器组合而成。转子位移变化的信号由传感器测出，传到控制器中，控制器计算后，输出信号，经过功率放大器的放大，输入到电磁铁，产生电磁力，从而保证转子的稳定悬浮。

为了解决传统多自由度关节由于传动链长、关节摩擦面磨损严重，导致末端执行器的承载能力及系统刚度和效率降低、系统精度下降，以及静、动态性能和稳定性均变差等问题，本项目基于国家自然科学基金在国内外率先提出并研究磁悬浮球形主动关节系统。项目研究分别基于磁场理想分布规律、磁场分割法，以及球谐波理论等，对磁悬浮球形主动关节磁场进行分析，得出了气隙磁场的解析模型，研究了磁悬浮球形主动关节产生电磁悬浮力和电磁转矩的机理，并通过有限元仿真试验分析，验证了气隙磁场及电磁悬浮力和电磁转矩模型的正确性；对不同类型的磁悬浮球形主动关节进行了结构研究，设计出定子分体式和整体式、磁阻式和感应式、正交绕组式和分区域绕组式等磁悬浮球形主动关节或电机结构，建立了磁悬浮球形主动关节的三维动力学耦合模型和逆系统解耦线性化模型，对系统进行了状态重构的同步悬浮控制和PDF控制研究，提出了磁悬浮球形主动关节的多种控制驱动电路方案，设计了磁悬浮球形主动关节的检测控制系统，并对系统进行性能仿真分析，构建了磁悬浮球形主动关节的实验台，通过试验验证了理论分析研究结果的正确性。项目研究取得的成果，将为后期磁悬浮球形主动关节的设计和研究提供可行的理论基础，并对球形电动机、主动关节的发展以及高速磁悬浮机械的研究，对提高主动关节系统性能 以及多自由度机械系统小型化和微型化均具有十分重要的意义。 2100433B