[發明專利]一種無軸承永磁電機的懸浮力控制方法

有效

• 申請號: 202110097357.6
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112865662B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 王宇;張藝;郝雯娟
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02P25/02
• 分類號: H02P25/02;H02P27/06;H02N15/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

1.一種無軸承永磁電機的懸浮力控制方法，所述無軸承永磁電機結構包括轉矩繞組控制逆變器、懸浮繞組控制逆變器和無軸承永磁電機；所述轉矩繞組控制逆變器包括直流電壓源U₁，所述直流電壓源U₁兩端并聯有濾波電容C1；開關管Q1、Q2依次串聯在直流電壓源U₁兩端，構成第一橋臂；開關管Q3、Q4、Q5和Q6以同樣方法依次構成第二橋臂和第三橋臂；所述轉矩繞組控制逆變器的三個橋臂中點分別與無軸承永磁電機的三相轉矩繞組A、B、C相連；所述懸浮繞組控制逆變器包括直流電壓源U₂，所述直流電壓源U₂兩端并聯有濾波電容C2；開關管Q7、Q8依次串聯在直流電壓源U₂兩端，構成第四橋臂；開關管Q9、Q10、Q11、Q12以同樣方法依次構成第五橋臂和第六橋臂；所述懸浮繞組控制逆變器的三個橋臂中點分別與無軸承永磁電機的三相懸浮繞組a、b、c相連；所述無軸承永磁電機的定子上裝有x方向電渦流傳感器和y方向電渦流傳感器；其特征在于，所述懸浮力控制方法分為以下四種情況：

(1)x方向徑向負載力突加情況

步驟S1、利用x方向電渦流傳感器測量獲得電機轉子的x方向的位移X，預設x方向的位移誤差值為△x，且△x＞0；當-X△x時，無軸承永磁電機的x方向徑向負載力突加，記錄這一時刻為0時刻；

步驟S2、從0時刻開始，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最大值其中U_dc為懸浮繞組控制逆變器的母線電壓，則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續上升，其中L_dF為懸浮繞組d軸電感，x方向懸浮力以的變化率持續上升，其中K_F為懸浮力系數，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升，其中m為轉子質量；

步驟S3、對x方向的位移X進行求導，得到電機轉子x方向的速度對求導，得到電機轉子x方向的位移加速度0時刻之后，當時，電機的x方向的懸浮力等于x方向徑向負載力，記錄這一時刻為t_a；

步驟S4、設定時刻在t_a～t_b時間段內，設置懸浮繞組的d軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續上升，x方向懸浮力以的變化率持續上升，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

步驟S5、設定時刻在t_b～t_c時間段內，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最小值懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續減小，x方向懸浮力以的變化率持續減小，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小；

步驟S6、在0～t_b時間段內，x方向的轉子位移加速度為：f(t)＝kt-kt_a，通過積分求得該時間段內x方向的轉子位移速度表達式為

繼續積分求得x方向的轉子位移表達式為

在t_b～t_c時間段內，x方向的轉子位移加速度為f(t)＝-kt+2kt_b-kt_a，通過積分求得該時間段內x方向的轉子位移速度表達式為：

積分求得x方向的轉子位移表達式為

在t_c時刻，x方向的轉子位移數值為

步驟S7、設定時間段在t_c～t_c+△t的時間段內，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續上升，x方向懸浮力以的變化率持續上升，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

在t_c+△t～t_c+3△t的時間段內，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續減小，x方向懸浮力以的變化率持續減小，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

在t_c+3△t～t_c+4△t的時間段內，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續上升，x方向懸浮力以的變化率持續上升，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

在t_c+4△t時刻，動態過程結束；

(2)y方向徑向負載力突加情況；

步驟S1、利用y方向電渦流傳感器測量獲得電機轉子的y方向的位移Y，預設y方向的位移誤差值△y，且△y＞0；當-Y△y時，無軸承永磁電機的y方向徑向負載力突加，記錄這一時刻為0時刻；

步驟S2、從0時刻開始，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續上升，其中L_qF為懸浮繞組q軸電感，y方向懸浮力以的變化率持續上升，其中K_F為懸浮力系數，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升，其中m為轉子質量；

步驟S3、對y方向的位移Y進行求導，得到電機轉子的y方向的速度對求導，得到電機轉子的y方向的位移加速度；0時刻之后，當時，電機的y方向的懸浮力等于y方向徑向負載力，記錄這一時刻為t_a；

步驟S4、設定時刻在t_a～t_b時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續上升，y方向懸浮力以的變化率持續上升，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

步驟S5、設定時刻在t_b～t_c時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續減小，y方向懸浮力以的變化率持續減小，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小；

步驟S6、在0～t_b時間段內，y方向的轉子位移加速度為：f(t)＝kt-kt_a，通過積分求得該時間段內y方向的轉子位移速度表達式為

繼續積分求得y方向的轉子位移表達式為

在t_b～t_c時間段內，x方向的轉子位移加速度為f(t)＝-kt+2kt_b-kt_a，通過積分求得該時間段內y方向的轉子位移速度表達式為：

積分求得y方向的轉子位移表達式為

在t_c時刻，y方向的轉子位移數值為

步驟S7、設定時間段在t_c～t_c+△t的時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續上升，y方向懸浮力以的變化率持續上升，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

在t_c+△t～t_c+3△t的時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續減小，y方向懸浮力以的變化率持續減小，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

在t_c+3△t～t_c+4△t的時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續上升，y方向懸浮力以的變化率持續上升，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

在t_c+4△t時刻，動態過程結束；

(3)x方向徑向負載力突減情況；

步驟S1、利用x方向電渦流傳感器測量獲得電機轉子的x方向的位移X，預設x方向的位移誤差值為△x，且△x＞0；當X△x時，無軸承永磁電機的x方向徑向負載力突減，記錄這一時刻為0時刻；

步驟S2、從0時刻開始，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續減小，x方向懸浮力以的變化率持續減小，其中K_F為懸浮力系數，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小，其中m為轉子質量；

步驟S3、對x方向的位移X進行求導，得到電機轉子的x方向的速度對求導，得到電機轉子的x方向的位移加速度0時刻之后，當時，電機的x方向的懸浮力等于x方向徑向負載力，記錄這一時刻為t_a；

步驟S4、設定時刻在t_a～t_b時間段內，設置懸浮繞組的d軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續減小，x方向懸浮力以的變化率持續上升，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小；

步驟S5、設定時刻在t_b～t_c時間段內，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最大值懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續上升，x方向懸浮力以的變化率持續上升，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

步驟S6、在0～t_b時間段內，x方向的轉子位移加速度為：f(t)＝-kt+kt_a，通過積分求得該時間段內x方向的轉子位移速度表達式為

繼續積分求得x方向的轉子位移表達式為

在t_b～t_c時間段內，x方向的轉子位移加速度為f(t)＝kt-2kt_b+kt_a，通過積分求得該時間段內x方向的轉子位移速度表達式為：

積分求得x方向的轉子位移表達式為

在t_c時刻，x方向的轉子位移數值為

步驟S7、設定時間段在t_c～t_c+△t的時間段內，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續減小，x方向懸浮力以的變化率持續減小，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小；

在t_c+△t～t_c+3△t的時間段內，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續上升，x方向懸浮力以的變化率持續上升，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

在t_c+3△t～t_c+4△t的時間段內，設定懸浮繞組的d軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的d軸電流以的變化率持續減小，x方向懸浮力以的變化率持續減小，x方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小；

在t_c+4△t時刻，動態過程結束；

(4)y方向徑向負載力突減情況

步驟S1、利用y方向電渦流傳感器測量獲得電機轉子的y方向的位移Y，預設y方向的位移誤差值△y，且△y＞0；當Y△y時，無軸承永磁電機的y方向徑向負載力突減，記錄這一時刻為0時刻；

步驟S2、從0時刻開始，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續減小，y方向懸浮力以的變化率持續減小，其中K_F為懸浮力系數，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小，其中m為轉子質量；

步驟S3、對y方向的位移Y進行求導，得到電機轉子的y方向的速度對求導，得到電機轉子的y方向的位移加速度0時刻之后，當時，電機的y方向的懸浮力等于y方向徑向負載力，記錄這一時刻為t_a；

步驟S4、設定時刻在t_a～t_b時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續減小，y方向懸浮力以的變化率持續減小，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小；

步驟S5、設定時刻在t_b～t_c時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續上升，y方向懸浮力以的變化率持續上升，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

步驟S6、在0～t_b時間段內，y方向的轉子位移加速度為：f(t)＝-kt+kt_a，通過積分求得該時間段內y方向的轉子位移速度表達式為

繼續積分求得y方向的轉子位移表達式為

在t_b～t_c時間段內，y方向的轉子位移加速度為f(t)＝kt-2kt_b+kt_a，通過積分求得該時間段內y方向的轉子位移速度表達式為：

積分求得y方向的轉子位移表達式為

在t_c時刻，y方向的轉子位移數值為

步驟S7、設定時間段在t_c～t_c+△t的時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續減小，y方向懸浮力以的變化率持續減小，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小；

在t_c+△t～t_c+3△t的時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最大值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續上升，y方向懸浮力以的變化率持續上升，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續上升；

在t_c+3△t～t_c+4△t的時間段內，設定懸浮繞組的q軸電壓恒定為最小值則懸浮繞組的q軸電流以的變化率持續減小，y方向懸浮力以的變化率持續減小，y方向的轉子位移加速度以的變化率持續減小；

在t_c+4△t時刻，動態過程結束。