[發(fā)明專利]一種無(wú)軸承永磁電機(jī)的懸浮力控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110097357.6
• 申請(qǐng)日: 2021-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN112865662B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王宇;張藝;郝雯娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P25/02
• 分類號(hào): H02P25/02;H02P27/06;H02N15/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

1.一種無(wú)軸承永磁電機(jī)的懸浮力控制方法，所述無(wú)軸承永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)矩繞組控制逆變器、懸浮繞組控制逆變器和無(wú)軸承永磁電機(jī)；所述轉(zhuǎn)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(lián)有濾波電容C1；開關(guān)管Q1、Q2依次串聯(lián)在直流電壓源U₁兩端，構(gòu)成第一橋臂；開關(guān)管Q3、Q4、Q5和Q6以同樣方法依次構(gòu)成第二橋臂和第三橋臂；所述轉(zhuǎn)矩繞組控制逆變器的三個(gè)橋臂中點(diǎn)分別與無(wú)軸承永磁電機(jī)的三相轉(zhuǎn)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(lián)有濾波電容C2；開關(guān)管Q7、Q8依次串聯(lián)在直流電壓源U₂兩端，構(gòu)成第四橋臂；開關(guān)管Q9、Q10、Q11、Q12以同樣方法依次構(gòu)成第五橋臂和第六橋臂；所述懸浮繞組控制逆變器的三個(gè)橋臂中點(diǎn)分別與無(wú)軸承永磁電機(jī)的三相懸浮繞組a、b、c相連；所述無(wú)軸承永磁電機(jī)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(fù)載力突加情況

步驟S1、利用x方向電渦流傳感器測(cè)量獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的x方向的位移X，預(yù)設(shè)x方向的位移誤差值為△x，且△x＞0；當(dāng)-X△x時(shí)，無(wú)軸承永磁電機(jī)的x方向徑向負(fù)載力突加，記錄這一時(shí)刻為0時(shí)刻；

步驟S2、從0時(shí)刻開始，設(shè)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(xù)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(xù)上升，其中K_F為懸浮力系數(shù)，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升，其中m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；

步驟S3、對(duì)x方向的位移X進(jìn)行求導(dǎo)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子x方向的速度對(duì)求導(dǎo)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子x方向的位移加速度0時(shí)刻之后，當(dāng)時(shí)，電機(jī)的x方向的懸浮力等于x方向徑向負(fù)載力，記錄這一時(shí)刻為t_a；

步驟S4、設(shè)定時(shí)刻在t_a～t_b時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

步驟S5、設(shè)定時(shí)刻在t_b～t_c時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小；

步驟S6、在0～t_b時(shí)間段內(nèi)，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度為：f(t)＝kt-kt_a，通過(guò)積分求得該時(shí)間段內(nèi)x方向的轉(zhuǎn)子位移速度表達(dá)式為

繼續(xù)積分求得x方向的轉(zhuǎn)子位移表達(dá)式為

在t_b～t_c時(shí)間段內(nèi)，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度為f(t)＝-kt+2kt_b-kt_a，通過(guò)積分求得該時(shí)間段內(nèi)x方向的轉(zhuǎn)子位移速度表達(dá)式為：

積分求得x方向的轉(zhuǎn)子位移表達(dá)式為

在t_c時(shí)刻，x方向的轉(zhuǎn)子位移數(shù)值為

步驟S7、設(shè)定時(shí)間段在t_c～t_c+△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

在t_c+△t～t_c+3△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

在t_c+3△t～t_c+4△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

在t_c+4△t時(shí)刻，動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束；

(2)y方向徑向負(fù)載力突加情況；

步驟S1、利用y方向電渦流傳感器測(cè)量獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的y方向的位移Y，預(yù)設(shè)y方向的位移誤差值△y，且△y＞0；當(dāng)-Y△y時(shí)，無(wú)軸承永磁電機(jī)的y方向徑向負(fù)載力突加，記錄這一時(shí)刻為0時(shí)刻；

步驟S2、從0時(shí)刻開始，設(shè)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(xù)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(xù)上升，其中K_F為懸浮力系數(shù)，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升，其中m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；

步驟S3、對(duì)y方向的位移Y進(jìn)行求導(dǎo)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的y方向的速度對(duì)求導(dǎo)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的y方向的位移加速度；0時(shí)刻之后，當(dāng)時(shí)，電機(jī)的y方向的懸浮力等于y方向徑向負(fù)載力，記錄這一時(shí)刻為t_a；

步驟S4、設(shè)定時(shí)刻在t_a～t_b時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

步驟S5、設(shè)定時(shí)刻在t_b～t_c時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小；

步驟S6、在0～t_b時(shí)間段內(nèi)，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度為：f(t)＝kt-kt_a，通過(guò)積分求得該時(shí)間段內(nèi)y方向的轉(zhuǎn)子位移速度表達(dá)式為

繼續(xù)積分求得y方向的轉(zhuǎn)子位移表達(dá)式為

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

積分求得y方向的轉(zhuǎn)子位移表達(dá)式為

在t_c時(shí)刻，y方向的轉(zhuǎn)子位移數(shù)值為

步驟S7、設(shè)定時(shí)間段在t_c～t_c+△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

在t_c+△t～t_c+3△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

在t_c+3△t～t_c+4△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

在t_c+4△t時(shí)刻，動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束；

(3)x方向徑向負(fù)載力突減情況；

步驟S1、利用x方向電渦流傳感器測(cè)量獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的x方向的位移X，預(yù)設(shè)x方向的位移誤差值為△x，且△x＞0；當(dāng)X△x時(shí)，無(wú)軸承永磁電機(jī)的x方向徑向負(fù)載力突減，記錄這一時(shí)刻為0時(shí)刻；

步驟S2、從0時(shí)刻開始，設(shè)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(xù)減小，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，其中K_F為懸浮力系數(shù)，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小，其中m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；

步驟S3、對(duì)x方向的位移X進(jìn)行求導(dǎo)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的x方向的速度對(duì)求導(dǎo)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的x方向的位移加速度0時(shí)刻之后，當(dāng)時(shí)，電機(jī)的x方向的懸浮力等于x方向徑向負(fù)載力，記錄這一時(shí)刻為t_a；

步驟S4、設(shè)定時(shí)刻在t_a～t_b時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小；

步驟S5、設(shè)定時(shí)刻在t_b～t_c時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

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

繼續(xù)積分求得x方向的轉(zhuǎn)子位移表達(dá)式為

在t_b～t_c時(shí)間段內(nèi)，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度為f(t)＝kt-2kt_b+kt_a，通過(guò)積分求得該時(shí)間段內(nèi)x方向的轉(zhuǎn)子位移速度表達(dá)式為：

積分求得x方向的轉(zhuǎn)子位移表達(dá)式為

在t_c時(shí)刻，x方向的轉(zhuǎn)子位移數(shù)值為

步驟S7、設(shè)定時(shí)間段在t_c～t_c+△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小；

在t_c+△t～t_c+3△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

在t_c+3△t～t_c+4△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，x方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，x方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小；

在t_c+4△t時(shí)刻，動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束；

(4)y方向徑向負(fù)載力突減情況

步驟S1、利用y方向電渦流傳感器測(cè)量獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的y方向的位移Y，預(yù)設(shè)y方向的位移誤差值△y，且△y＞0；當(dāng)Y△y時(shí)，無(wú)軸承永磁電機(jī)的y方向徑向負(fù)載力突減，記錄這一時(shí)刻為0時(shí)刻；

步驟S2、從0時(shí)刻開始，設(shè)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(xù)減小，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，其中K_F為懸浮力系數(shù)，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小，其中m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；

步驟S3、對(duì)y方向的位移Y進(jìn)行求導(dǎo)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的y方向的速度對(duì)求導(dǎo)，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的y方向的位移加速度0時(shí)刻之后，當(dāng)時(shí)，電機(jī)的y方向的懸浮力等于y方向徑向負(fù)載力，記錄這一時(shí)刻為t_a；

步驟S4、設(shè)定時(shí)刻在t_a～t_b時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小；

步驟S5、設(shè)定時(shí)刻在t_b～t_c時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

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

繼續(xù)積分求得y方向的轉(zhuǎn)子位移表達(dá)式為

在t_b～t_c時(shí)間段內(nèi)，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度為f(t)＝kt-2kt_b+kt_a，通過(guò)積分求得該時(shí)間段內(nèi)y方向的轉(zhuǎn)子位移速度表達(dá)式為：

積分求得y方向的轉(zhuǎn)子位移表達(dá)式為

在t_c時(shí)刻，y方向的轉(zhuǎn)子位移數(shù)值為

步驟S7、設(shè)定時(shí)間段在t_c～t_c+△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小；

在t_c+△t～t_c+3△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)上升，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)上升，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)上升；

在t_c+3△t～t_c+4△t的時(shí)間段內(nèi)，設(shè)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(xù)減小，y方向懸浮力以的變化率持續(xù)減小，y方向的轉(zhuǎn)子位移加速度以的變化率持續(xù)減小；

在t_c+4△t時(shí)刻，動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束。