CN117294207B - 一种双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动系统及方法 - Google Patents
一种双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供本发明公开了一种双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动系统及方法，涉及高速电机控制技术领域，解决双电枢无轴承磁通反向电机低功耗问题，该方法首先给出了含有连续型双电枢无轴承磁通反向电机转矩和悬浮力数学模型，在此基础上创新提出了一种低功耗的改进型蝙蝠算法，通过考虑不同转矩和不同悬浮力时，综合考虑不同负载时，选择最优的开关频率，能够最大程度的降低双电枢无轴承磁通反向电机的整体功耗。本发明改进了双电枢无轴承磁通反向电机长期运行时的高损耗问题,实现简单,可靠性强。
Description
技术领域
本发明涉及电力传动控制设备领域，具体为满足无轴承双馈磁通反向电机转矩和悬浮力的低功耗驱动系统及方法。
背景技术
双电枢无轴承磁通反向电机是集磁轴承技术与磁通反向电机技术于一体的电机，不仅具有磁轴承无机械摩擦、无需润滑、噪声小、使用寿命长等优良特性，还具有磁通反向电机高转矩(功率)密度、宽调速能力、高运行可靠性等特点，在航空航天、生命科学、半导体制造等领域具有广阔的应用前景。双电枢无轴承磁通反向电机作为一种电机，具有一系列的优点，越来越受到学术界和工业界的关注，但由于其定转子均有绕组，结构相对复杂，增加了控制难度，功耗方面有所增大，在满足其转矩和悬浮力的稳定性能要求的前提下，怎么减少功耗成为了必须克服的难题。这就为设计带来了较大的难度，几乎很少看到工程人员探讨此种电机转矩和悬浮力性能的同时满足的前提，也能对功耗进行优化的解决办法。
经检索国内外相关专利和文献，公开号：CN113395021A：《一种基于Buck变换器的无刷直流电机低功耗驱动系统及方法》提到了对无刷直流电机进行功耗改进的方法，再比如发明专利：公开号：CN110635736A《一种永磁同步电机低功耗控制方法及控制电路》，提到了对永磁同步电机降低功耗的方法，但上述两种发明专利和本发明的电机类型有较大不同之处，另外也未发现蝙蝠算法用于电机的功耗优化。以此，本专利在传统蝙蝠算法的基础上，通过改进蝙蝠算法优化双电枢无轴承磁通反向电机低功耗驱动系统，使之满足转矩和悬浮力性能要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动方法，首先搭建双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动系统，涉及到的x、y轴方向上的径向悬浮力分量Fx、Fy分别为：
Bsrk(θ,t)为气隙磁通密度，l为电机轴长，r电机转子半径，sinθ和cosθ分别是正弦和余弦函数，μ0为磁导率，θ为转子角度。
双电枢无轴承磁通反向电机的电磁转矩Tem为
Tem＝Tts+Ttr+Tsr (2)
式中，Tts表示定子绕组产生的永磁转矩与磁阻转矩之和，Ttr表示转子绕组产生的永磁转矩与磁阻转矩之和，Tsr为定转子电枢反应磁场相互作用产生的转矩；
方法具体包括以下步骤：
S1：设置最低功耗目标函数前，需给定多种复杂工况下的最小等效能耗对应的转矩Pd和悬浮力Pf分配比α；
S2：在参数搜寻范围内更新双电枢无轴承磁通反向电机位置和转速，需给定双电枢无轴承磁通反向电机初始转子位置；
S3：确定公式(3)当前全域最优解，根据以往的解中，进行一次随机移动，产生一组新的解；
S4：当双电枢无轴承磁通反向电机运行发现异常时，降低转子频率，重新评估转速,更新转矩和悬浮力信息；
S5:求解转速范围最大值，终止条件为判断迭代次数是否找到最低功耗点的最优解，若符合算法就会停止，并且给定输出转矩和悬浮力的最优解；若未符合，则会回到步骤S3重复计算。
进一步的，在步骤S2中公式为：
fj＝fmin+(fmax-fmin)σ+C1ηbWePbat
在步骤S3中：根据公式(4)在以往的解χold中，进行一次随机移动，产生一组新的解χnow，Pf为输出功率；
其中：为第t时刻的转子位置、/>为第t+1时刻的转子位置；
ε，σ∈[0,1]是一个满足均匀分布的随机数，fmin、fmax分别为定子磁场转速频率fj的最大值和最小值，xy为第t时刻的全域最优解、为第t时刻的转速、/>为第t+1时刻的转速、转子磁场转速频率rj、输出转矩A′及搜索范围在内的初始函数、效率ηb、充电系数We、输出功率Pbat、|Pbat|是输出功率Pbat的绝对值；
C1，C2，C3均为运行状态切换系数，电能转换效率ηc，功效ηf。
进一步的，在S4中，从公式(5)至(6)、(7)：
其中：及λ为常数,/>选择不同/>及λ获取不同转子磁场转速频率rj与转子输出转矩Aj变化情形，/>为第t时刻的转子输出转矩，/>为第t+1时刻的转子输出转矩，/>为第t时刻的转子磁场转速频率，/>为第t+1时刻的转子磁场转速频率，e-λ为第t时刻的λ数值。
进一步的，在S5中，γ为转速范围最大值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)、改进蝙蝠算法相比传统蝙蝠算法能满足转矩和悬浮力的同时，还能降低功耗，具有在线学习收敛速度快、函数模仿能力强和记忆能力，能明显提高双电枢无轴承磁通反向电机转速稳定性，使系统性能对参数变动及负载干扰具有鲁棒性。
(2)、改进蝙蝠算法构成的低功耗驱动控制系统结构简单,使用方便,可有效节省了人力物力,保证电机性能检测的有效性，起到转矩和悬浮磁路聚磁增强作用,提升了气隙磁密大小,拓宽了气隙磁密平顶宽度,提高了输出转矩大小和输出悬浮力稳定精度。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
实施例1：
一种双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动系统及方法，首先搭建双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动系统，涉及到的x、y轴方向上的径向悬浮力分量Fx、Fy分别为
Bsrk(θ,t)为气隙磁通密度，l为电机轴长，r电机转子半径，sinθ和cosθ分别是正弦和余弦函数，μ0为磁导率，θ为转子角度。
双电枢无轴承磁通反向电机的电磁转矩Tem为
Tem＝Tts+Ttr+Tsr (2)
式中，Tts表示定子绕组产生的永磁转矩与磁阻转矩之和，Ttr表示转子绕组产生的永磁转矩与磁阻转矩之和，Tsr为定转子电枢反应磁场相互作用产生的转矩。
挖掘能力是评价一个优化算法搜索能力大小的重要指标，这种能力主要体现在广泛地搜寻全域确定最优解所处的局部空间的能力，并能缩小局部范围进行定位探寻，从而找到全局中挖掘出局部最优解的能力。最小等效能耗法属于全域式搜索方法之一，可达到全局空间最优效果，其搜索目标为找出最小消耗能量的悬浮力和转矩输出组合。
通过发展仿效蝙蝠觅食能力位置更新公式，可有效求得最优化解，此策略架构步骤如下：
S1：设置最低功耗目标函数前，需给定多种复杂工况下的最小等效能耗对应的转矩Pd和悬浮力Pf分配比α如(3)所示。
S2：在参数搜寻范围内更新双电枢无轴承磁通反向电机位置和转速，需给定双电枢无轴承磁通反向电机初始转子位置。
为第t时刻的转子位置、/>为第t+1时刻的转子位置。
ε，σ∈[0,1]是一个满足均匀分布的随机数，fmin、fmax分别为定子磁场转速频率fj的最大值和最小值，xy为第t时刻的全域最优解、为第t时刻的转速、/>为第t+1时刻的转速、转子磁场转速频率rj、输出转矩A′及搜索范围在内的初始函数、效率ηb、充电系数We、输出功率Pbat、|Pbat|是输出功率Pbat的绝对值。
fj＝fmin+(fmax-fmin)σ+C1ηbWePbat
S3：为提高算法的搜索性能，一旦确定当前全域最优解，则根据公式(4)在以往的解χold中，进行一次随机移动，产生一组新的解χnow，Pf为输出功率。
S4：当双电枢无轴承磁通反向电机运行发现异常时，降低转子频率，重新评估转速,更新转矩和悬浮力信息，如(5)及(6)计算表达方式：
其中各参数分别为：C1，C2，C3均为运行状态切换系数，电能转换效率ηc，功效ηf，及λ为常数,/>
选择不同及λ获取不同转子磁场转速频率rj与转子输出转矩Aj变化情形，/>为第t时刻的转子输出转矩，/>为第t+1时刻的转子输出转矩，/>为第t时刻的转子磁场转速频率，/>为第t+1时刻的转子磁场转速频率，e-λt为第t时刻的λ数值：
S5：γ为转速范围最大值，终止条件为判断迭代次数是否找到最低功耗点的最优解，若符合上面提到两点之一，此时算法就会停止，并且给定输出转矩和悬浮力的最优解；若未符合，则会回到步骤S3重复计算。
由此，可利用公式(1)-(7)逐步完成满足转矩值和悬浮值的连续型双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动系统设计方法。
本专利给出了含有连续型双电枢无轴承磁通反向电机转矩和悬浮力数学模型，在此基础上创新提出了一种低功耗的改进型蝙蝠算法，通过考虑不同转矩和不同悬浮力时，综合考虑不同负载时，选择最优的开关频率，能够最大程度的降低双电枢无轴承磁通反向电机的整体功耗。本发明改进了双电枢无轴承磁通反向电机长期运行时的高损耗问题，实现简单，可靠性强。
为了提升双电枢无轴承磁通反向电机的转矩性能和悬浮性能，本专利提供了双电枢无轴承磁通反向电机的优化设计方法，采用多目标粒子群协作族群方法代替传统粒子群算法，其精度更高，提高了优化设计效率，计算性能更好，对于双电枢无轴承磁通反向电机这样非线性特性比较突出的控制对象，可以显著看出粒子群协作演化方法的优势。该方法能够有效实现对双电枢无轴承磁通反向电机的的转矩和悬浮性能的改进，并对其多物理场模型精度要求有所降低，节省优化设计所需的时间，提高优化设计的效率。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。
Claims (1)
1.一种双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动方法，其特征在于：搭建双电枢无轴承磁通反向电机的低功耗驱动系统，涉及到的x、y轴方向上的径向悬浮力分量Fx、Fy分别为：
Bsrk(θ,t)为气隙磁通密度，l为电机轴长，r电机转子半径，sinθ和cosθ分别是正弦和余弦函数，μ0为磁导率，θ为转子角度；
双电枢无轴承磁通反向电机的电磁转矩Tem为
Tem＝Tts+Ttr+Tsr (2)
式中，Tts表示定子绕组产生的永磁转矩与磁阻转矩之和，Ttr表示转子绕组产生的永磁转矩与磁阻转矩之和，Tsr为定转子电枢反应磁场相互作用产生的转矩；
方法具体包括以下步骤：
S1：设置最低功耗目标函数前，需给定多种复杂工况下的最小等效能耗对应的转矩Pd和悬浮力Pf分配比α；
S2：在参数搜寻范围内更新双电枢无轴承磁通反向电机位置和转速，需给定双电枢无轴承磁通反向电机初始转子位置；
S3：确定公式(3)当前全域最优解，根据以往的解中，进行一次随机移动，产生一组新的解；
S4：当双电枢无轴承磁通反向电机运行发现异常时，降低转子频率，重新评估转速,更新转矩和悬浮力信息；
S5:求解转速范围最大值，终止条件为判断迭代次数是否找到最低功耗点的最优解，若符合算法就会停止，并且给定输出转矩和悬浮力的最优解；若未符合，则会回到步骤S3重复计算；
在步骤S2中公式为：
在步骤S3中：根据公式(4)在以往的解xold中，进行一次随机移动，产生一组新的解xnow，Pf为输出功率；
其中：为第t时刻的转子位置、/>为第t+1时刻的转子位置；ε，σ∈[0,1]是一个满足均匀分布的随机数，fmin、fmax分别为定子磁场转速频率fj的最大值和最小值，xy为第t时刻的全域最优解、/>为第t时刻的转速、/>为第t+1时刻的转速、输出转矩A′、效率ηb、充电系数We、输出功率Pbat、|Pbat|是输出功率Pbat的绝对值；
C1，C2，C3均为运行状态切换系数，电能转换效率ηc，功效ηf；
在S4中，从公式(5)至(6)、(7)：
其中：及λ为常数,/>选择不同/>及λ获取不同转子磁场转速频率rj与转子输出转矩Aj变化情形，/>为第t时刻的转子输出转矩，/>为第t+1时刻的转子输出转矩，/>为第t时刻的转子磁场转速频率，/>为第t+1时刻的转子磁场转速频率，e-λt为第t时刻、以自然常数e为底、λ为指数的指数函数，γ为转速范围最大值。
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