【成果介紹】
磁懸浮軸承是利用電磁力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子無接觸支撐的新型支撐設(shè)備，對于高轉(zhuǎn)速和高精度的場合，磁懸浮軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。在磁懸浮軸承系統(tǒng)中，電力電子控制器用于控制磁軸承線圈電流，從而產(chǎn)生用于懸浮的電磁力，是重要組成部分之一。
現(xiàn)有技術(shù)的痛點(diǎn)問題：目前在此領(lǐng)域廣泛使用的電力電子變換器存在使用器件較多的不足之處，從而帶來體積大、成本高等缺點(diǎn)，不利于系統(tǒng)的集成化。對于多軸磁懸浮軸承，存在較大的優(yōu)化空間。另外，磁懸浮軸承中電力電子器件是最易失效的部件之一，威脅磁懸浮軸承的運(yùn)行可靠性。如果在高速旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)器件失效，將造成嚴(yán)重后果。
本技術(shù)成果針對現(xiàn)有磁懸浮軸承控制器器件數(shù)量大的缺點(diǎn)，提出了一系列新型的電力電子功率變換器：
2 共用橋臂磁懸浮軸承控制器
首先通過共用橋臂的方法減少了對功率器件數(shù)量的需求，滿足工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的需求。目前已應(yīng)用在磁懸浮壓縮機(jī)一體機(jī)中，使得新型控制器與傳統(tǒng)控制器相比體積成本大大降低，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成化。共橋臂磁懸浮軸承控制器如圖1所示。所有繞組共用一個(gè)公共橋臂，實(shí)現(xiàn)器件數(shù)量的減小。
圖1 多軸共橋臂磁懸浮軸承電力電子控制器拓?fù)鋱D
2 反向共橋臂電力電子控制器
進(jìn)一步的，針對多軸共橋臂磁懸浮軸承電力電子控制器中公共橋臂需要承受各繞組電流之和，帶來電流應(yīng)力大和損耗大的問題，發(fā)明了反向共橋臂電力電子控制器，如圖2所示。將一半的繞組電流反向，這樣公共橋臂電流之和是一半正向電流和一半反向電流之和，大大降低電流應(yīng)力和損耗。
圖2 多軸反向共橋臂磁懸浮軸承電力電子控制器拓?fù)鋱D
2 多軸無共橋臂電力電子控制器
進(jìn)一步的，在磁懸浮軸承一個(gè)平面的兩軸中，利用每一軸兩個(gè)繞組電流之和等于兩倍直流偏置的原理，發(fā)明了多軸無共橋臂電力電子控制器，如圖3所示。在這種結(jié)構(gòu)中，兩軸的各兩個(gè)繞組電流之和相等，方向相反，可以進(jìn)一步省去共橋臂而直接采用Y接法。
圖3 多軸無共橋臂磁懸浮軸承電力電子控制器拓?fù)鋱D
2 串聯(lián)繞組磁懸浮軸承電力電子控制器
另外，針對多軸磁懸浮軸承采用共橋臂控制器電壓利用率只有直流母線電壓一半的缺點(diǎn)，發(fā)明了串聯(lián)繞組磁懸浮軸承電力電子控制器，如圖4所示。在N軸磁懸浮軸承2N個(gè)繞組中，采用2N+1個(gè)半橋橋臂順序串聯(lián)，可以控制每個(gè)繞組最大電壓達(dá)到全直流母線電壓，從而提高電流環(huán)帶寬。
圖4 多軸串聯(lián)繞組磁懸浮軸承電力電子控制器拓?fù)鋱D
2 磁懸浮軸承容錯(cuò)型控制器
另一方面，針對磁懸浮軸承電力電子器件開路失效故障，發(fā)明了一系列的磁懸浮軸承容錯(cuò)型控制器。以單軸為例，如圖5所示，采用一個(gè)三相全橋功率模塊接入單軸磁軸承兩個(gè)繞組，可以工作在電流流入中間橋臂和流出中間橋臂兩個(gè)模式。因?yàn)榇艖腋≥S承的電磁力與電流方向無關(guān)，兩種模式均能實(shí)現(xiàn)懸浮控制。設(shè)置其中一種工作模式為正常模式，檢測出故障后立刻切換到第二種備用模式，就能保持磁懸浮軸承在器件開路故障下繼續(xù)穩(wěn)定懸浮。圖5是單軸磁軸承控制器的一種容錯(cuò)模式，之前圖1-圖4的每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以類似的設(shè)計(jì)對應(yīng)的容錯(cuò)控制器。
圖5 磁懸浮軸承容錯(cuò)型電力電子控制器（單軸為例）
【技術(shù)優(yōu)勢】
（1）大大減少對電力電子器件數(shù)量、門極驅(qū)動信號數(shù)量上的需求。
以常見的五自由度磁軸承系統(tǒng)為例：在磁懸浮軸承電力電子控制器上，目前工業(yè)界已有的磁懸浮軸承產(chǎn)品多采用單向H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，共需使用20個(gè)二極管以及20個(gè)開關(guān)器件。拓?fù)鋬?yōu)化后，最新報(bào)道中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共需要使用15個(gè)二極管及開15個(gè)開關(guān)器件。而采用本技術(shù)圖1的多軸共橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅需使用11個(gè)二極管以及11個(gè)開關(guān)器件，與廣泛采用的單向H橋拓?fù)湎啾裙?jié)省了45%的電力電子器件及其相應(yīng)的驅(qū)動電路，從成本及體積上可以得到很大的優(yōu)化，有利于系統(tǒng)的集成與一體化。
（2）變換器總體功率損耗大幅度下降。
采用圖2的多軸反向共橋臂控制器，在圖1的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)共橋臂的電流應(yīng)力顯著下降，變換器總體功率損耗下降可以超過50%。
（3）省去公共橋臂。
采用圖3的無共橋臂控制器，兩組兩軸徑向磁軸承可以省去公共橋臂。
（4）實(shí)現(xiàn)電流環(huán)帶寬的顯著增加。
采用圖4的串聯(lián)繞組磁懸浮軸承控制器，總體需要也是11個(gè)二極管和11個(gè)開關(guān)器件，但是相對多軸共橋臂電力電子控制器，每個(gè)繞組的電壓利率用可以增加1倍，從而實(shí)現(xiàn)電流環(huán)帶寬顯著的增加。
（5）提高系統(tǒng)的可靠性
采用容錯(cuò)型電力電子控制器，在以上各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采用全橋橋臂代替半橋橋臂，可以直接采用市場上最常見的模塊實(shí)現(xiàn)。在容錯(cuò)控制器的控制方法下，可以應(yīng)對運(yùn)行中電力電子器件因?yàn)殒I合線疲勞脫落或者門極驅(qū)動掉電等造成的開路故障，快速切換到容錯(cuò)模式，繼續(xù)保持懸浮。這一容錯(cuò)功能可以在高轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)，改善了系統(tǒng)的可靠性。
【應(yīng)用實(shí)例】
與該技術(shù)直接相關(guān)產(chǎn)品為中車時(shí)代電氣的磁懸浮軸承壓縮機(jī)，該產(chǎn)品的額定軸功率為120kW，轉(zhuǎn)速為25000rpm，推力軸承負(fù)載達(dá)3000Nm，軸振動抑制在30um以內(nèi)。目前該系列的產(chǎn)品性能穩(wěn)定，相比國外進(jìn)口產(chǎn)品性價(jià)比更高，市場占有率在穩(wěn)步提升。
圖 中車時(shí)代電氣的磁懸浮軸承壓縮機(jī)產(chǎn)品
【應(yīng)用領(lǐng)域】
航空航天高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備、電力飛輪儲能系統(tǒng)、建筑制冷用離心式壓縮機(jī)、高端裝備用旋轉(zhuǎn)裝置等
【知識產(chǎn)權(quán)】
該成果獲授權(quán)發(fā)明專利多項(xiàng)，下表是部分展示：
【合作方式】
許可，轉(zhuǎn)讓，作價(jià)入股，合作開發(fā)
【專家介紹】
蔣棟，教授，博士生導(dǎo)師，2005年和2007年分別獲得清華大學(xué)電氣工程學(xué)士和碩士學(xué)位，2011年底獲得美國田納西大學(xué)電氣工程哲學(xué)博士學(xué)位。2012年1月加入美國聯(lián)合技術(shù)公司研究中心（UTRC）擔(dān)任高級研究科學(xué)家兼工程師。2015年7月全職回國加入華中科技大學(xué)電氣電子工程學(xué)院。主要研究方向：電力電子和運(yùn)動控制技術(shù)。截至2021年7月，在此領(lǐng)域發(fā)表和錄用100余篇學(xué)術(shù)論文，其中包括60余篇SCI索引的IEEE Transactions論文。獲得40余項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利。蔣棟從2015年11月起擔(dān)任SCI期刊IEEE Transaction on Industry Applications的編委（Associate Editor)。2016年5月入選國際電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）高級會員（Senior Member），2020年7月當(dāng)選IET fellow。多次獲得IEEE期刊與會議的最佳論文獎(jiǎng)。2018年發(fā)起成立IEEE PELS武漢分會并擔(dān)任首屆主席。
【聯(lián)系方式】
