一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法

1.本发明涉及五自由度磁悬浮系统设计技术领域，具体的涉及一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法。


背景技术：

2.随着社会各行各业对电机功率以及转速需求的提升，导致转轴处机械轴承的发热越来越严重，甚至影响到电机的正常运行。因此，越来越多的高速大功率电机系统采用磁轴承代替原有的机械轴承，通过对磁轴承径向力的控制，实现了转轴与轴承的无摩擦运行，大大减小了由轴承与转轴摩擦所产生的损耗。通常情况下，为实现转子系统的五自由度悬浮，在转轴上分别安装两个径向磁轴承与一个轴向磁轴承；同时，针对长轴高速运行系统，可采用无轴承电机技术，通过在电机处额外增加一个支承刚度，以补偿由转轴加长后所降低的临界转速。
3.然而，虽然五自由度磁悬浮系统能够减小轴承发热，提高轴承寿命，但其参数设计将影响系统的稳定运行，若设计不当，则将产生系统外壳振动剧烈，转速上升受限等问题。五自由度磁悬浮系统设计主要包括：径向磁轴承与无轴承电机的径向支承刚度设计、轴向磁轴承的轴向支承刚度设计、径向磁轴承与无轴承电机的空间位置分布设计等。因此，为保证系统稳定运行，减小系统振动力分布，必须针对以上参数进行优化设计。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法。
5.为了实现以上目的及其他目的，本发明是通过以下技术方案实现的：根据系统转子的临界转速，通过迭代方法分别确定第一径向磁轴承、无轴承电机、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的支承刚度k
r1
、km、k
r2
、ka，以及所述第一径向磁轴承、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的空间位置h
z1
、h
z2
、h
az
；根据所述第一径向磁轴承、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的最大径向力f
rmax
与最大轴向力f
zmax
需求，从而获得各绕组平均安匝数nrir、naia，同理，根据所述无轴承电机的最大径向悬浮力f
mr_max
需求，获得其悬浮绕组安匝数n
sis
的分布规律；根据所述第一径向磁轴承、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的支承刚度分别计算获得其绕组匝数nr和na，同理，根据无轴承电机的支撑刚度获得无轴承电机悬浮绕组匝数ns，获得绕组匝数与绕组安匝数后分别计算获得绕组的额定电流ir、ia和is；根据控制器的母线电压u
dc
大小，确定无轴承电机在额定转速下所产生的最大反电势e
abc
，确定转矩绕组匝数n
t
，从而计算获得转矩绕组额定电流i
t
；根据所获得的各绕组中额定电流的大小，分别选取绕组线圈的并联根数。
6.在一实施例中，在确定径向磁轴承、无轴承电机和轴向磁轴承的支承刚度kr、km和ka后，通过建立支承刚度与绕组匝数的数学关系，从而求解出对应的绕组匝数nr、ns和na，对应的绕组匝数nr、ns和na的表达式分别为：
[0007][0008][0009][0010]
在一实施例中，所述第一、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的绕组平均安匝数nrir、naia分别通过最大径向力f
rmax
与最大轴向力f
zmax
获得，其表达式为：
[0011][0012][0013]
在一实施例中，所述无轴承电机的转矩绕组安匝数n
tit
由负载转矩t
l
确定，其表达式为：
[0014][0015]
在一实施例中，所述无轴承电机的转矩绕组匝数n
t
由母线电压u
dc
确定，其表达式为：
[0016][0017]
在一实施例中，所述无轴承电机的悬浮绕组安匝数n
sis
由其最大径向悬浮力f
mr_max
以及永磁体与转矩绕组等效安匝数确定，其表达式为：
[0018][0019]
在一实施例中，所述第一径向磁轴承与无轴承电机的间距h
z1
、第二径向磁轴承与无轴承电机的间距h
z2
具有如下关系：h
z1
＝h
z2
＝hz。
[0020]
在一实施例中，设计过程中，所述第一径向磁轴承与第二径向磁轴承的支承刚度相等，即k
r1
＝k
r2
＝kr。
[0021]
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0022]
1、本发明以系统临界转速为输入变量，不断迭代获得径向磁轴承、无轴承电机、轴向磁轴承的支承刚度和空间位置。
[0023]
2、本发明根据无轴承电机的转矩与最大径向力分布特性，获得转矩绕组与悬浮绕组的安匝数分布规律。
[0024]
3、本发明在获得径向磁轴承、无轴承电机、轴向磁轴承的支承刚度后，通过计算可以得到悬浮绕组的匝数，从而获得绕组额定电流参数。
附图说明
[0025]
图1a显示为本发明五自由度磁悬浮系统拓扑示意图；
[0026]
图1b显示为本发明无轴承电机径向截面示意图；
[0027]
图2显示为本发明径五自由度磁悬浮系统轴向空间位置示意图；
[0028]
图3显示为本发明转轴径向位移控制框图；
[0029]
图4a显示为本发明径向磁轴承绕组设计流程图；
[0030]
图4b显示为本发明轴向磁轴承绕组设计流程图；
[0031]
图4c显示为本发明无轴承电机绕组设计流程图；
[0032]
图5显示为本发明无轴承电机永磁体与转矩绕组安匝数、悬浮绕组安匝数与径向悬浮力的三维曲线图。
具体实施方式
[0033]
请参阅图1至图5。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。
[0034]
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供本领域的技术人员了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“左”、“右”、“上”、“下”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0035]
如图1a所示，本发明提供的五自由度磁悬浮系统包括转轴1、第一径向磁轴承2、无轴承电机3、第二径向磁轴承4和轴向磁轴承5。所述转轴1上套设所述第一径向磁轴承2和所述第二径向磁轴承4、所述无轴承电机3和所述轴向磁轴承5。所述无轴承电机3两侧分别设有所述第一径向磁轴承1和第二径向磁轴承4。所述轴向磁轴承5设于第二径向磁轴承4外侧。
[0036]
如图1b所示，本发明提供无轴承电机包括定子31和转子32。所述定子31设于转子32外侧，所述定子31与所述转子32之间形成气隙。所述定子31包括定子铁芯311、定子绕组312和定子齿槽313。所述定子铁芯311设于最外侧，所述定子铁芯311内侧向内收缩形成若干均匀分布的所述定子齿槽313，所述定子绕组312绕设所述定子齿槽313中。所述定子绕组312包括悬浮绕组3121和转矩绕组3122，所述定子齿313形成的槽口外层嵌入所述悬浮绕组3121，内层嵌入所述转矩绕组3122。所述转子32包括转子铁芯321和永磁体322。所述转子铁芯321套装在所述转轴1上，所述转子铁芯321的内径大于所述转轴1的外径，所述永磁体322嵌套在所述转子铁芯321内部，也可贴设于所述转子铁芯321外表面。
[0037]
具体地，所述悬浮绕组3121用于提供径向悬浮力，所述转矩绕组3122用于提供转矩，所述永磁体322用于提供无轴承电机3旋转和悬浮的偏置磁场。
[0038]
本发明提出的一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法包括步骤s1-s3，分别为：径向磁轴承的绕组设计方法s1、轴向磁轴承的绕组设计方法s2、无轴承电机的绕组设计方法s3。
[0039]
如图4a所示，图4a为本发明所述的径向磁轴承绕组设计流程图，径向磁轴承的绕组设计方法s1包括以下步骤s101-s105。
[0040]
步骤s101:根据临界转速获得第一径向磁轴承与第二径向磁轴承的支承刚度kr，以及空间位置hz。
[0041]
具体地，根据系统所需临界转速，通过采用有限元法计算得到所述第一径向磁轴承的支承刚度k
r1
和所述第二径向磁轴承的支承刚度k
r2
，以及各自距离无轴承电机的空间距离h
z1
、h
z2
。
[0042]
如图2所示，本发明定义以上变量之间关系为：k
r1
＝k
r2
＝kr、h
z1
＝h
z2
＝hz。
[0043]
步骤s102：建立支承刚度kr与绕组匝数nr的数学关系。
[0044]
如图3所示，x
*
和x分别为给定位移信号和实际位移信号，gc(s)、gs(s)和g
p
(s)分别为位移控制器、位移调理电路和功率变换器的传递函数，ki和k
x
分别为电流刚度系数和位移刚度系数，其表达式分别为：
[0045][0046][0047]
其中，ir为径向磁轴承绕组平均电流，μ0为真空磁导率，sr为径向磁轴承定、转子间有效磁通面积，nr为绕组匝数，ir为绕组平均电流，δ0为定、转子间平均气隙长度。
[0048]
如图3所示，图3为转轴径向位移控制框图，可以推导出绕组匝数nr与磁轴承支承刚度kr的表达式为：
[0049]
kr＝k
iasapkrp-k
x
，
[0050]
其中，as和a
p
分别为位移调理电路与功率变换器的增益，k
rp
为控制器的增益。
[0051]
步骤s103：根据径向磁轴承的最大承载力f
rmax
确定绕组平均安匝数nrir。
[0052]
具体地，在进行步骤s102的同时，根据径向磁轴承的最大承载力f
rmax
来确定绕组平均安匝数nrir，其表达式为：
[0053][0054]
其中，δ0为定、转子间平均气隙长度，μ0为真空磁导率，sr为径向磁轴承定、转子间有效磁通面积。
[0055]
步骤s104：获得绕组匝数nr与额定电流ir。
[0056]
具体地，根据上述表达式，可推导出绕组匝数nr为：
[0057][0058]
在获得径向磁轴承绕组匝数nr后，根据上述公式可获得绕组平均电流ir，绕组额定电流ir表达式为：ir≤2ir。
[0059]
步骤s105：计算得到绕组线圈的并联根数nr。
[0060]
具体地，绕组线圈的并联根数nr可表示为：
[0061][0062]
其中，j为电流密度。
[0063]
如图4b所示，轴向磁轴承的设计方法s2与径向磁轴承的设计方法s1类似，图4b为轴向磁轴承绕组设计流程图，轴向磁轴承的绕组设计方法s2包括以下步骤s201-s205。
[0064]
步骤s201:根据临界转速获得轴向磁轴承ka，以及其距离所述第二径向磁轴承的空间距离h
az
。
[0065]
具体地，与步骤s101同理，采用有限元法计算所得。
[0066]
步骤s202：根据轴向磁轴承的最大承载力f
zmax
来确定绕组平均安匝数naia。
[0067]
具体地，根据轴向磁轴承的最大承载力f
zmax
来确定绕组平均安匝数naia，其表达式为：
[0068][0069]
其中，μ0为真空磁导率，δz为轴向磁轴承定子与推力盘间平均气隙长度，sa为轴向磁轴承定子与推力盘间有效磁通面积。
[0070]
步骤s203：建立支承刚度ka与绕组匝数na的数学关系。
[0071]
具体地，建立轴向磁轴承支承刚度ka与绕组匝数na的数学关系，其表达式为：
[0072][0073]
其中，ia为轴向磁轴承绕组平均电流，sa为轴向磁轴承定子与推力盘间有效磁通面积，δz为轴向磁轴承定子与推力盘间平均气隙长度。
[0074]
步骤s204：获得绕组匝数na与额定电流ia。
[0075]
具体地，与步骤s104同理，根据上述表达式可推导出绕组匝数na，绕组平均电流ia可通过上述两式计算得到，绕组额定电流ia表达式为：ia≤2ia。
[0076]
步骤s205：计算得到绕组线圈的并联根数na。
[0077]
具体地，与步骤s105同理，求出绕组线圈的并联根数na，其表达式为：
[0078][0079]
其中，j为电流密度。
[0080]
如图4c所示，图4c为无轴承电机绕组设计流程图，无轴承电机定子上采用两套绕组的设计结构，两套绕组分别定义为转矩绕组和悬浮绕组，无轴承电机的绕组设计方法s3包括步骤s301-s309。
[0081]
步骤s301：根据负载转矩确定无轴承电机的转矩绕组安匝数n
tit
。
[0082]
具体地，针对转矩绕组，根据负载转矩t
l
大小确定转矩绕组的安匝数n
tit
，转矩绕组安匝数可表示为：
[0083][0084]
其中，p1为转矩绕组极对数，φf为永磁体磁通量。
[0085]
步骤s302：根据无轴承电机控制器母线电压u
dc
确定转矩绕组匝数n
t
。
[0086]
具体地，根据无轴承电机控制器母线电压u
dc
确定转矩绕组匝数n
t
，其表达式为：
[0087][0088]
其中，ω为无轴承电机转速，φq为q轴电流磁通量。
[0089]
步骤s303：获得转矩绕组额定电流i
t
。
[0090]
具体地，与步骤104同理，转矩绕组额定电流i
t
可通过上述两式获得。
[0091]
步骤s304：计算得到转矩绕组线圈的并联根数n
t
。
[0092]
具体地，与步骤105同理，通过计算得到转矩绕组的线圈并联根数n
t
。
[0093]
步骤s305：根据临界转速获得无轴承电机的支承刚度km。
[0094]
具体地，采用有限元法计算得到所述无轴承电机的支承刚度。
[0095]
步骤s306：建立无轴承电机支承刚度km与悬浮绕组匝数ns的数学关系，获得悬浮绕组匝数ns。
[0096]
具体地，采用与径向磁轴承相似的方法获得悬浮绕组的匝数ns，其计算公式为：
[0097][0098]
其中，δ0为定、转子间平均气隙长度，fm为与无轴承电机本体结构相关的系数，i
p
为永磁体等效电流，i
t
为转矩绕组额定电流。
[0099]
步骤s307：根据无轴承电机的最大径向承载力确定悬浮绕组安匝数n
sis
。
[0100]
具体地，根据最大径向悬浮力f
mr_max
大小以及转矩绕组的安匝数n
tit
来确定悬浮绕组安匝数n
sis
，其确定公式为：
[0101][0102]
其中，fm为与无轴承电机本体结构相关的系数，i
p
为永磁体等效电流。根据上式可获得永磁体与转矩绕组的等效安匝数悬浮绕组安匝数n
sis
与最大径向悬浮力f
mr_max
的三维曲线图。
[0103]
如图5所示，根据图5曲线可确定悬浮绕组安匝数n
sis
。
[0104]
步骤s308：获得悬浮绕组额定电流is。
[0105]
具体地，与步骤s104同理，计算得到悬浮绕组的额定电流is。
[0106]
步骤s309：计算得到悬浮绕组的并联根数ns。
[0107]
具体地，与步骤s105同理，计算得到悬浮绕组的线圈并绕根数ns。
[0108]
综上，本发明以系统临界转速为输入变量，不断迭代获得径向磁轴承、无轴承电机、轴向磁轴承的支承刚度和空间位置；根据无轴承电机的转矩与最大径向力分布特性，获得转矩绕组与悬浮绕组的安匝数分布规律；在获得径向磁轴承、无轴承电机、轴向磁轴承的支承刚度后，通过计算可以得到悬浮绕组的匝数，从而获得绕组额定电流参数。
[0109]
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法，其特征在于，包括：根据系统转子的临界转速，通过迭代方法分别确定第一径向磁轴承、无轴承电机、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的支承刚度k
r1
、k
m
、k
r2
、k
a
，以及所述第一径向磁轴承、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的空间位置h
z1
、h
z2
、h
az
；根据所述第一径向磁轴承、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的最大径向力f
rmax
与最大轴向力f
zmax
需求，从而获得各绕组平均安匝数n
r
i
r
、n
a
i
a
，同理，根据所述无轴承电机的最大径向悬浮力f
mr_max
需求，获得其悬浮绕组安匝数n
s
i
s
的分布规律；根据所述第一径向磁轴承、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的支承刚度分别计算获得其绕组匝数n
r
和n
a
，同理，根据无轴承电机的支撑刚度获得无轴承电机悬浮绕组匝数n
s
，获得绕组匝数与绕组安匝数后分别计算获得绕组的额定电流i
r
、i
a
和i
s
；根据控制器母线电压u
dc
大小，确定无轴承电机在额定转速下所产生的最大反电势e
abc
，确定转矩绕组匝数n
t
，从而计算获得转矩绕组额定电流i
t
；根据所获得的各绕组中额定电流的大小，分别选取绕组线圈的并联根数。2.根据权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法，其特征在于，在确定径向磁轴承、无轴承电机和轴向磁轴承的支承刚度k
r
、k
m
和k
a
后，通过建立支承刚度与绕组匝数的数学关系，从而求解出对应的绕组匝数n
r
、n
s
和n
a
，对应的绕组匝数n
r
、n
s
和n
a
的表达式分别为：式分别为：式分别为：3.根据权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法，其特征在于，所述第一、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的绕组平均安匝数n
r
i
r
、n
a
i
a
分别通过最大径向力f
rmax
与最大轴向力f
zmax
获得，其表达式为：获得，其表达式为：4.根据权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法，其特征在于，所述无轴承电机的转矩绕组安匝数n
t
i
t
由负载转矩t
l
确定，其表达式为：5.根据权利要求4所述的一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法，其特征在于，所述无轴承电机的转矩绕组匝数n
t
由母线电压u
dc
确定，其表达式为：6.根据权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法，其特征在于，所述无
轴承电机的悬浮绕组安匝数n
s
i
s
由其最大径向悬浮力f
mr_max
以及永磁体与转矩绕组等效安匝数确定，其表达式为：7.根据权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法，其特征在于，所述第一径向磁轴承与无轴承电机的间距h
z1
、第二径向磁轴承与无轴承电机的间距h
z2
具有如下关系：h
z1
＝h
z2
＝h
z
。8.根据权利要求1所述的一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法，其特征在于，设计过程中，所述第一径向磁轴承与第二径向磁轴承的支承刚度相等，即k
r1
＝k
r2
＝k
r
。

技术总结
本发明公开了一种五自由度磁悬浮系统绕组设计方法，其中方法可包括：根据所需临界转速确定系统各部件的支承刚度，以及各部件之间的空间距离；根据第一径向磁轴承、第二径向磁轴承和轴向磁轴承的最大径向力和最大轴向力需求获得各绕组的平均安匝数；同理，根据无轴承电机的最大负载转矩和最大径向悬浮力需求获得转矩绕组与悬浮绕组的安匝数；根据所述支承刚度计算所述悬浮绕组的匝数，转矩绕组匝数由所述无轴承电机的最大反电势决定；根据所述各绕组安匝数与匝数分别计算得额定电流，从而获得绕组并联根数。本发明通过合理选取系统中各部件之间的空间位置、刚度系数以及对应绕组参数，以获得最佳的系统稳定性。以获得最佳的系统稳定性。以获得最佳的系统稳定性。


技术研发人员：俞强 曹鑫 邓智泉
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/14