一种无轴承磁通切换电机转子悬浮力快速建模方法技术

本发明专利技术提出一种无轴承磁通切换电机转子悬浮力快速建模方法，采用分别计算转子光滑时气隙磁导Λ

【技术实现步骤摘要】
一种无轴承磁通切换电机转子悬浮力快速建模方法
本专利技术涉及电机
，尤其是一种无轴承磁通切换电机转子悬浮力快速建模方法。
技术介绍
定子永磁型磁通切换电机(Flux-SwitchingPermanentMagnetMachines,FSPMM)相较于传统转子永磁的永磁同步电机而言，由于永磁体放置于定子侧，转子由硅钢片简单叠压而成，具有结构简单可靠，散热容易，转矩密度高等优点。因此，将无轴承技术应用到传统FSPMM中，即无轴承磁通切换电机(BearinglessFlux-SwitchPermanentMagnetMachines,BFSPMM),在保有无轴承技术所带来的无需机械轴承，具有无需润滑，定转子之间完全隔离等优点前提下，克服了传统无轴承永磁电机在一些应用场合下转子为一次性使用费用高及永磁体高温退磁等缺陷，在生物医药、半导体及化学化工领域具有广阔的应用前景。回顾传统FSPMM的一般分析方法，对于BFSPMM的研究可借助于FSPMM相关理论分析方法。然而，由于在FSPMM中永磁体位于定子侧，且定转子均为凸极结构，传统成熟的永磁同步电机理论无法直接应用。目前对于双凸极气隙研究方法主要分为有限元分析法(FiniteElementAnalysis)、等效磁网络分析法(MagneticEquivalentCircuit)等。但有限元与等效磁网络分析方法存在模型构造复杂且计算时间长等问题。目前无轴承技术已经成功应用到几乎所有的电机，相关理论分析及数学模型构建已经十分成熟。然而，当下BFSPMM相关理论分析、悬浮力与电磁转矩模型构建大部分仍然是借助于有限元分析与等效磁网络，存在计算时间长且模型构造复杂等缺陷。同样，由于无法得到气隙磁密解析表达式，有限元分析与等效磁网络方法对于电机结构参数十分敏感，电机结构的细微更改均将带来大量的模型重建工作及计算时间，所得到的相关数学模型不具有实际通用性。基于此，本专利技术从气隙磁导分布解析表达式出发，提出一种通用的不依赖于电机具体结构参数的一种悬浮力快速建模方法。模型构造过程简单快速，可以直接得到同电机参数直接相关的悬浮力解析表达式，克服了传统有限元及等效磁网络存在的计算耗时长模型构造复杂等缺陷。
技术实现思路
本专利技术提出一种无轴承磁通切换电机转子悬浮力快速建模方法，能在评估快速无轴承磁通切换电机转子悬浮力时快速建模。本专利技术采用以下技术方案。一种无轴承磁通切换电机转子悬浮力快速建模方法，用于无轴承磁通切换电机，即BFSPMM电机的磁悬浮力建模；所述BFSPMM电机采用单绕组连接方式；电机定子由十二块U形件构成且相邻两个U形件夹着沿切向交替充磁的永磁体；所述电机极对数为十；所述电机的相绕组的横截面结构以x-y空间直角坐标系定义；x轴与定子A1齿轴线重合，y轴与A2齿轴线重合；如图1中所示θ为气隙圆周角，θr表示电机转子位置角，定义初始转子位置角处于任意定子齿与A1轴线重合位置。定义随转子同步旋转的dq轴如图1所示，其中d轴与A1齿轴线夹角为θr，q轴超前d轴9°机械角；所述电机绕组工作时，相绕组中同时通入控制转子切向旋转的电流iAT～iFT和控制转子径向悬浮的悬浮电流iAS～iFS；定义三相悬浮电流iAD、iBE与iCF，悬浮电流iAS～iFS满足iAS＝iDS＝iAD，iBS＝iES＝iBE，iCS＝iFS＝iCF。六相绕组电流iA～iF满足：相绕组中悬浮电流分量iAS～iFS只参与控制转矩径向悬浮，电机dq轴电流仅取决于电机相电流中控制转子切向旋转的功率电流分量iAT～iFT；在对转子悬浮力进行建模时，包括以下步骤；A1、计算电机双凸气隙磁导Λsr(θ,θr)此为公式1；A2、计算电机气隙永磁磁势Fpm；此为公式2；式中n表示为永磁气隙磁动势傅立叶级数展开次数；A3、借助步骤A1、A2结果计算永磁气隙磁密Bpm＝Fpm(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式3；A4、计算dq轴电流id与iq共同产生的气隙磁动势此为公式4；A5、借助步骤A1、A4计算六相绕组中功率电流产生的气隙磁密Bs＝Fs(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式5；A6、计算悬浮电流iAD，iBE与iCF产生的磁动势FAD＝iAD(FA+FD)；此为公式6；FBE＝iBE(FB+FE)；此为公式7；FCF＝iCF(FC+FF)；此为公式8；A7、计算六相绕组中悬浮电流产生的气隙磁密BAD＝FAD(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式9；BBE＝FBE(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式10；BCF＝FCF(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式11；A8、借助步骤A3、A5、A7完成电机悬浮力建模如下：a).由AD相悬浮电流iAD产生的x方向悬浮力为:此为公式12；y方向为:此为公式13；b).由BE相悬浮电流iBE产生的x方向悬浮力为:此为公式14；y方向为:此为公式15；c).由CF相悬浮电流iCF产生的x方向悬浮力为:此为公式16；y方向为:此为公式17；d).转子总的xy方向悬浮力Fx、Fy如下：Fx＝Fsus_x_AD+Fsus_x_BE+Fsus_x_CF；此为公式18；Fy＝Fsus_y_AD+Fsus_y_BE+Fsus_y_CF；此为公式19；。公式2中的n表示为永磁气隙磁动势傅立叶级数展开次数，取75次。电机定子由12块U形铁芯构成，且相邻两个U形铁芯夹着沿切向交替充磁的永磁体，转子由硅钢片叠压而成。步骤A1中定子凸极、转子光滑下电机气隙磁导Λs(θ)，转子凸极、定子光滑下电机气隙磁导Λr(θ,θr)计算步骤如下：S1.1根据电机定子结构参数及气隙宽度计算定子凸极、转子光滑下电机气隙磁导Λs(θ)此为公式20；式中k表示为气隙磁导傅立叶级数展开次数；S1.2根据电机转子结构参数及气隙宽度计算转子凸极、定子光滑下电机气隙磁导Λr(θ,θr)此为公式21；式中m表示为气隙磁导傅立叶级数展开次数。公式20中k取10次；公式21中m取10次。步骤A2中气隙永磁磁势幅值Fm计算步骤如下：S2.1根据定子结构参数及气隙宽度计算定子Carter系数kcs此为公式22；S2.2根据转子结构参数及气隙宽度计算转子Carter系数kcr此为公式23；S2.3通过电机结构参数计算永磁体磁阻Rpm，等效气隙磁阻R1及空气槽磁阻R2此为公式24；S2.4根据步骤S2.1～S2.3结果计算气隙永磁磁势幅值Fm此为公式25。步骤A4中dq轴电流id与iq计算如下：S4.1由六相电流iA～iF计算六相绕组中控制转子切向旋转的六相对称功率电流分量iAT～iFT此为公式26；S4.2由六相对称功率电流iAT～iFT计算dq轴电流id与iq此为公式27；步骤A4、A6中六相单位电流产生的磁动势FA～FF计算如下：S6.1根据转子结构参数及气隙长度计算转子Carter系数kcr此为公式28；S6.2根据步骤S2.3及定子结构参数计算等效气隙磁阻R3，两个U形硅钢片间等效磁阻R4此为公式29；S6.3计算三个磁动势分量F1，F2及F3此为公式30；S6.4计算FA～FF此为公式31；此为公式32；此为公式33；此为公式34；此为公式35；此为公式36。上述步骤A6中三对悬浮电流iAD，iBE与iCF计算如下：此为公式37。借助步骤A3、A5结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无轴承磁通切换电机转子悬浮力快速建模方法，用于无轴承磁通切换电机，即BFSPMM电机的磁悬浮力建模；其特征在于：所述BFSPMM电机采用单绕组连接方式；电机定子由十二块U形件构成且相邻两个U形件夹着沿切向交替充磁的永磁体；所述电机极对数为十；所述电机的相绕组的横截面结构以x‑y空间直角坐标系定义；x轴与定子A1齿轴线重合，y轴与A2齿轴线重合；如图1中所示θ为气隙圆周角，θr表示电机转子位置角，定义初始转子位置角处于任意定子齿与A1轴线重合位置；定义随转子同步旋转的dq轴如图1所示，其中d轴与A1齿轴线夹角为θr，q轴超前d轴9°机械角；所述电机绕组工作时，相绕组中同时通入控制转子切向旋转的电流iAT～iFT和控制转子径向悬浮的悬浮电流iAS～iFS；定义三相悬浮电流iAD、iBE与iCF，悬浮电流iAS～iFS满足iAS＝iDS＝iAD，iBS＝iES＝iBE，iCS＝iFS＝iCF。六相绕组电流iA～iF满足：

【技术特征摘要】
1.一种无轴承磁通切换电机转子悬浮力快速建模方法，用于无轴承磁通切换电机，即BFSPMM电机的磁悬浮力建模；其特征在于：所述BFSPMM电机采用单绕组连接方式；电机定子由十二块U形件构成且相邻两个U形件夹着沿切向交替充磁的永磁体；所述电机极对数为十；所述电机的相绕组的横截面结构以x-y空间直角坐标系定义；x轴与定子A1齿轴线重合，y轴与A2齿轴线重合；如图1中所示θ为气隙圆周角，θr表示电机转子位置角，定义初始转子位置角处于任意定子齿与A1轴线重合位置；定义随转子同步旋转的dq轴如图1所示，其中d轴与A1齿轴线夹角为θr，q轴超前d轴9°机械角；所述电机绕组工作时，相绕组中同时通入控制转子切向旋转的电流iAT～iFT和控制转子径向悬浮的悬浮电流iAS～iFS；定义三相悬浮电流iAD、iBE与iCF，悬浮电流iAS～iFS满足iAS＝iDS＝iAD，iBS＝iES＝iBE，iCS＝iFS＝iCF。六相绕组电流iA～iF满足：相绕组中悬浮电流分量iAS～iFS只参与控制转矩径向悬浮，电机dq轴电流仅取决于电机相电流中控制转子切向旋转的功率电流分量iAT～iFT；在对转子悬浮力进行建模时，包括以下步骤；A1、计算电机双凸气隙磁导Λsr(θ,θr)A2、计算电机气隙永磁磁势Fpm；式中n表示为永磁气隙磁动势傅立叶级数展开次数；A3、借助步骤A1、A2结果计算永磁气隙磁密Bpm＝Fpm(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式3；A4、计算dq轴电流id与iq共同产生的气隙磁动势A5、借助步骤A1、A4计算六相绕组中功率电流产生的气隙磁密Bs＝Fs(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式5；A6、计算悬浮电流iAD，iBE与iCF产生的磁动势FAD＝iAD(FA+FD)；此为公式6；FBE＝iBE(FB+FE)；此为公式7；FCF＝iCF(FC+FF)；此为公式8；A7、计算六相绕组中悬浮电流产生的气隙磁密BAD＝FAD(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式9；BBE＝FBE(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式10；BCF＝FCF(θ)Λrs(θ,θr)；此为公式11；A8、借助步骤A3、A5、A7完成电机悬浮力建模如下：a).由AD相悬浮电流iAD产生的x方向悬浮力为:y方向为:b).由BE相悬浮电流iBE产生的x方向悬浮力为:y方向为:c).由CF相悬浮电流iCF产生的x方向悬浮力为:y方向为:d).转子总的xy方向悬浮力Fx、Fy如下：Fx＝Fsus_x_AD+Fsus_x_BE+Fsus_x_CF；此为公式18；Fy＝Fsus_y_AD+Fsus_y_BE+Fsus_y_CF；此为公式19。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周扬忠，郑梦飞，钟天云，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35