CN117544034A - 一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法，建立了磁悬浮异步电机的仿真模型，并进行磁悬浮异步电机虚拟仿真，并通过虚拟仿真分析揭示了磁饱和现象；利用基于铁损的磁悬浮异步电机等效电路，基于基尔霍夫电流定律，计算出转矩绕组和悬浮绕组的定子电流、励磁电流和转子电流之间的关系；计算出满足正常运行的转子小气隙磁通量。改进的气隙磁通控制使气隙磁通根据电磁转矩而变化，从而降低了转矩绕组的励磁电流，为悬浮绕组的励磁腾出了更多的空间。电机虚拟仿真结果表明，这种方法可以避免磁悬浮异步电机的磁饱和现象。

Description

一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法
技术领域
本发明涉及电机传动控制技术领域，具体为一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法。
背景技术
磁悬浮异步电机是一种正在发展的具有旋转功能和悬浮功能的电机，用于解决近几十年来被广泛研究的电机轴承摩擦损失问题和提高电机速度。与传统的异步电机不同，磁悬浮异步电机继承了磁悬浮电机和异步电机的优点，磁悬浮异步电机在定子槽中有转矩绕组和悬浮绕组两个绕组，它可以通过两个磁场的不平衡产生麦克斯韦力，并可以通过一些控制方法实现转子自悬浮。如今，磁悬浮异步电机有着广泛的应用，尤其是在一些高速旋转领域如飞轮储能系统。
为了提高磁悬浮异步电机电机的动态响应，磁悬浮异步电机中广泛采用气隙磁通控制方法(雷美珍,邱建琪,林瑞光.无轴承异步电机的悬浮机理及其气隙磁场定向控制[J].中小型电机,2005,(07).)，气隙磁通控制方法下的x轴，y轴悬浮力值可表示为：其中Fx，Fy为x轴，y轴悬浮力值，ψ1为转矩绕组的气隙磁通，is2为悬浮绕组的定子电流，c为常数且/>式中，Z1和Z2为两个绕组的匝数，Lm为转矩绕组和转子绕组的互感。传统的异步电机只有一个转矩绕组，在全气隙磁通量运行时不容易出现磁饱和。然而，磁悬浮异步电机增加了一套悬浮绕组，如果想要获得更大的悬浮力，有必要增加悬浮绕组的电流。因此，当悬浮绕组电流足够大时，电机将处于磁饱和状态，悬浮力将不再增加。显然，全气隙磁通量不适合磁悬浮异步电机。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法，解决了背景技术中所提出的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明提供了一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法，建立了磁悬浮异步电机的仿真模型，并进行磁悬浮异步电机虚拟仿真，并通过虚拟仿真分析揭示了磁饱和现象；利用基于铁损的磁悬浮异步电机等效电路，基于基尔霍夫电流定律，计算出转矩绕组和悬浮绕组的定子电流、励磁电流和转子电流之间的关系；计算出满足正常运行的转子小气隙磁通量；小气隙磁通量随电磁转矩而连续变化；为了进一步提高控制精度，对磁悬浮异步电机的互感进行了研究，磁悬浮异步电机转矩绕组，其中，'U'表示电压，'i'表示电流，'Lσ'表示漏电感，'Lm'表示互感，'Rr'表示转子电阻，'RFe'表示铁损电阻，'Ψr'表示定子磁链，下标1和2分别表示转矩绕组和悬挂绕组的信息，下标's'、'r'、'a'和'm'表示定子、转子、气隙和励磁部分，下标'd'和'q'分别表示在d轴和q轴上分解的物理量，两个绕组的极对数分别表示为p1和p2，电角频率分别表示为ω1和ω2。在这些参数中，定子电流、定子电压、定子电阻和漏电感可以通过实验直接测量，互感无法测量，应该用拟合法导出，d轴(is1d)和q轴(is1q)上的定子电流分为三部分，即：
此外，可以计算出转矩绕组的总损耗Ploss1，
其中
方程(2)是使用转子磁通控制方法的推导结果，然而，当电机负载发生变化时，转矩电流分量is1q也会发生变化，因此，悬浮控制绕组的径向悬浮力和电流不具有线性关系，悬浮性能将受到影响，为了解决这一问题，本文采用气隙磁通解耦算法，首先求出气隙磁通与转子磁通之间的数学表达式：
将转子通量转换为气隙磁通量的推导，在气隙磁通定向控制下，径向悬浮力与悬浮控制绕组电流呈线性关系，不受转矩电流分量is1q的影响。
优选的，方程(4)是将转子通量转换为气隙磁通量的推导；在气隙磁通定向控制下，径向悬浮力与悬浮控制绕组电流呈线性关系，不受转矩电流分量is1q的影响；此外，方程(2)被转换为：
由于转子泄漏电感太小，方程式(2)进一步简化为(6)，如下所示：
公式(6)存在一个极值，使其导数为零，即：
然后可以计算出小气隙磁通量，即：
从中可以看出，当k1,k2,Lr1,Lσr1和Lm1的参数不变时，小气隙磁通量由Te决定。
优选的，在电机参数中，互感是很难测量的；此外，与传统的异步电机不同，磁悬浮异步电机的质心不是固定的，互感Lm1不是恒定的，并且它将随着转子偏心值而变化，因此，在互感Lm1的优化方法，见下表：
表1不同转子偏心值下转矩绕组的互感值
可以发现，在0毫米到0.2毫米之间，随着转子偏心值的增加，互感减小得更快，然而，在0.2mm至0.38mm之间，互感随着转子偏心值的增加而缓慢减小，显然，表1中的数据可以拟合成一个非线性函数，在本文中，采用了最小二乘法的拟合方法，最小二乘原理是找到这些平方和的最小值φ(αi)，即：
φ(αi)可以通过多项式来估计，如下所示：
其中，n是多项式的阶，随着多项式次数的增加，拟合误差减小，然而，如果次数太高，则数学函数结构复杂并且容易振荡。
优选的，基于最小二乘法的Lm1拟合曲线，为了保证拟合精度，我们采用三阶拟合，拟合表达式为
Lm1＝39.42e3-19.71e2-0.77e+1.258 (11)
然后公式(8)变成
通过拟合方法，可以根据转子偏心值更新Lm1，提高了控制系统的精度。
优选的，对基于优化互感的改进气隙磁通控制进行了仿真：分别测试了两种载荷条件(10N.m和12N.m)和突然载荷条件(14N.m和16N.m)。在启动过程中，采用全磁通量模型，Ψa1为0.96Wb；在0.3s时，采用小气隙磁通量控制，在不同的负载条件下，Ψa1分别降至0.38Wb和0.56Wb；在0.5s时，在不同的负载条件下，负载转矩增加，Ψa1增加到0.52Wb和0.68Wb。在这种方法下，可以获得较小的气隙流量，保证磁悬浮异步电机的正常运行，并为悬浮绕组的激励部分腾出更多的空间。
本发明提供了一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法。具备以下有益效果：采用传统的气隙磁通控制方法，它将保持全磁通，并且随着悬浮绕组磁场强度的增加，将发生磁饱和。由于转子偏心，转矩绕组的互感不恒定，本文利用最小二乘原理的拟合方法可以更新互感，提高了控制精度。改进的气隙磁通控制使气隙磁通根据电磁转矩而变化，从而降低了转矩绕组的励磁电流，为悬浮绕组的励磁腾出了更多的空间。电机虚拟仿真结果表明，这种方法可以避免磁悬浮异步电机的磁饱和现象。
附图说明
图1为本发明磁悬浮异步电机采用了改进的气隙磁通定向方法的解耦算法控制框图；
图2为本发明基于铁损的磁悬浮异步电机等效电路图；
图3为本发明基于最小二乘法的拟合曲线图；
图4为本发明改进的气隙磁通定向控制下在(10N.m和12N.m)的Ψa1变化图；
图5为本发明改进的气隙磁通定向控制下在(10N.m和12N.m)的Te变化图；
图6为本发明改进的气隙磁通定向控制下在(14N.m和16N.m)的Ψa1变化图；
图7为本发明改进的气隙磁通定向控制下在(14N.m和16N.m)的Te变化图；
图8为本发明未改进气隙磁通控制和悬浮绕组电流is2为2A的情况下的磁密度。
图9为本发明改进的气隙磁通控制和悬浮绕组电流is2为2A的情况下的磁密度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-9，本发明实施例提供一种技术方案：一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法，建立了磁悬浮异步电机的仿真模型，并进行磁悬浮异步电机虚拟仿真，并通过虚拟仿真分析揭示了磁饱和现象；利用基于铁损的磁悬浮异步电机等效电路，基于基尔霍夫电流定律，计算出转矩绕组和悬浮绕组的定子电流、励磁电流和转子电流之间的关系；计算出满足正常运行的转子小气隙磁通量；小气隙磁通量随电磁转矩而连续变化；为了进一步提高控制精度，对磁悬浮异步电机的互感进行了研究，磁悬浮异步电机转矩绕组，其中，'U'表示电压，'i'表示电流，'Lσ'表示漏电感，'Lm'表示互感，'Rr'表示转子电阻，'RFe'表示铁损电阻，'Ψr'表示定子磁链，下标1和2分别表示转矩绕组和悬挂绕组的信息，下标's'、'r'、'a'和'm'表示定子、转子、气隙和励磁部分，下标'd'和'q'分别表示在d轴和q轴上分解的物理量，两个绕组的极对数分别表示为p1和p2，电角频率分别表示为ω1和ω2。在这些参数中，定子电流、定子电压、定子电阻和漏电感可以通过实验直接测量，互感无法测量，应该用拟合法导出，d轴(is1d)和q轴(is1q)上的定子电流分为三部分，即：
此外，可以计算出转矩绕组的总损耗Ploss1，
其中
方程(2)是使用转子磁通控制方法的推导结果，然而，当电机负载发生变化时，转矩电流分量is1q也会发生变化，因此，悬浮控制绕组的径向悬浮力和电流不具有线性关系，悬浮性能将受到影响，为了解决这一问题，本文采用气隙磁通解耦算法，首先求出气隙磁通与转子磁通之间的数学表达式：
将转子通量转换为气隙磁通量的推导，在气隙磁通定向控制下，径向悬浮力与悬浮控制绕组电流呈线性关系，不受转矩电流分量is1q的影响。
优选的，方程(4)是将转子通量转换为气隙磁通量的推导；在气隙磁通定向控制下，径向悬浮力与悬浮控制绕组电流呈线性关系，不受转矩电流分量is1q的影响；此外，方程(2)被转换为：
由于转子泄漏电感太小，方程式(2)进一步简化为(6)，如下所示：
公式(6)存在一个极值，使其导数为零，即：
然后可以计算出小气隙磁通量，即：
从中可以看出，当k1,k2,Lr1,Lσr1和Lm1的参数不变时，小气隙磁通量由Te决定。
优选的，在电机参数中，互感是很难测量的；此外，与传统的异步电机不同，磁悬浮异步电机的质心不是固定的，互感Lm1不是恒定的，并且它将随着转子偏心值而变化，因此，在互感Lm1的优化方法，见下表：
表1不同转子偏心值下转矩绕组的互感
可以发现，在0毫米到0.2毫米之间，随着转子偏心值的增加，互感减小得更快，然而，在0.2mm至0.38mm之间，互感随着转子偏心值的增加而缓慢减小，显然，表1中的数据可以拟合成一个非线性函数，在本文中，采用了最小二乘法的拟合方法，最小二乘原理是找到这些平方和的最小值φ(αi)，即：
φ(αi)可以通过多项式来估计，如下所示：
其中，n是多项式的阶，随着多项式次数的增加，拟合误差减小，然而，如果次数太高，则数学函数结构复杂并且容易振荡。
优选的，基于最小二乘法的Lm1拟合曲线，为了保证拟合精度，我们采用三阶拟合，拟合表达式为
Lm1＝39.42e3-19.71e2-0.77e+1.258 (11)
然后公式(8)变成
通过拟合方法，可以根据转子偏心值更新Lm1，提高了控制系统的精度。
优选的，对基于优化互感的改进气隙磁通控制进行了仿真：分别测试了两种载荷条件(10N.m和12N.m)和突然载荷条件(14N.m和16N.m)。在启动过程中，采用全磁通量模型，Ψa1为0.96Wb；在0.3s时，采用小气隙磁通量控制，在不同的负载条件下，Ψa1分别降至0.38Wb和0.56Wb；在0.5s时，在不同的负载条件下，负载转矩增加，Ψa1增加到0.52Wb和0.68Wb。在这种方法下，可以获得较小的气隙流量，保证磁悬浮异步电机的正常运行，并为悬浮绕组的激励部分腾出更多的空间。
本发明提供了一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法。具备以下有益效果：采用传统的气隙磁通控制方法，它将保持全磁通，并且随着悬浮绕组磁场强度的增加，将发生磁饱和。由于转子偏心，转矩绕组的互感不恒定，本文利用最小二乘原理的拟合方法可以更新互感，提高了控制精度。改进的气隙磁通控制使气隙磁通根据电磁转矩而变化，从而降低了转矩绕组的励磁电流，为悬浮绕组的励磁腾出了更多的空间。电机虚拟仿真结果表明，这种方法可以避免磁悬浮异步电机的磁饱和现象。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法，其特征在于：建立了磁悬浮异步电机的仿真模型，并进行磁悬浮异步电机虚拟仿真，并通过虚拟仿真分析揭示了磁饱和现象；利用基于铁损的磁悬浮异步电机等效电路，基于基尔霍夫电流定律，计算出转矩绕组和悬浮绕组的定子电流、励磁电流和转子电流之间的关系；计算出满足正常运行的转子小气隙磁通量；小气隙磁通量随电磁转矩而连续变化；为了进一步提高控制精度，对磁悬浮异步电机的互感进行了研究，磁悬浮异步电机转矩绕组，其中，'U'表示电压，'i'表示电流，'Lσ'表示漏电感，'Lm'表示互感，'Rr'表示转子电阻，'RFe'表示铁损电阻，'Ψr'表示定子磁链，下标1和2分别表示转矩绕组和悬挂绕组的信息，下标's'、'r'、'a'和'm'表示定子、转子、气隙和励磁部分，下标'd'和'q'分别表示在d轴和q轴上分解的物理量，两个绕组的极对数分别表示为p1和p2，电角频率分别表示为ω1和ω2。在这些参数中，定子电流、定子电压、定子电阻和漏电感可以通过实验直接测量，互感是很难测量的，可以用拟合法导出，d轴(is1d)和q轴(is1q)上的定子电流分为三部分，即：
此外，可以计算出转矩绕组的总损耗Ploss1，
其中
方程(2)是使用转子磁通控制方法的推导结果，然而，当电机负载发生变化时，转矩电流分量is1q也会发生变化，因此，悬浮控制绕组的径向悬浮力和电流不具有线性关系，悬浮性能将受到影响，为了解决这一问题，本文采用气隙磁通解耦算法，首先求出气隙磁通与转子磁通之间的数学表达式：
将转子通量转换为气隙磁通量的推导，在气隙磁通定向控制下，径向悬浮力与悬浮控制绕组电流呈线性关系，不受转矩电流分量is1q的影响。
2.根据权利要求1所述的一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法，其特征在于：方程(4)是将转子通量转换为气隙磁通量的推导；在气隙磁通定向控制下，径向悬浮力与悬浮控制绕组电流呈线性关系，不受转矩电流分量is1q的影响；此外，方程(2)被转换为：
由于转子泄漏电感太小而忽略不计，方程式(2)进一步简化为(6)，如下所示：
公式(6)存在一个极值，使其导数为零，即：
然后可以计算出小气隙磁通量，即：
从中可以看出，当k1,k2,Lr1,Lσr1和Lm1的参数不变时，小气隙磁通量由Te决定。
3.根据权利要求2所述的一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法，其特征在于：在电机参数中，互感是很难测量的；此外，与传统的异步电机不同，磁悬浮异步电机的质心不是固定的，互感Lm1不是恒定的，并且它将随着转子偏心值而变化，因此，在互感Lm1的优化方法，见下表：
表1不同转子偏心值下转矩绕组的互感值
可以发现，在0毫米到0.2毫米之间，随着转子偏心值的增加，互感减小得更快，然而，在0.2mm至0.38mm之间，互感随着转子偏心值的增加而缓慢减小，显然，表1中的数据可以拟合成一个非线性函数，在本文中，采用了最小二乘法的拟合方法，最小二乘原理是找到这些平方和的最小值，φ(αi)即：
φ(αi)可以通过多项式来估计，如下所示：
其中，n是多项式的阶，随着多项式次数的增加，拟合误差减小，然而，如果次数太高，则数学函数结构复杂并且容易振荡。
4.根据权利要求3所述的一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法，其特征在于：基于最小二乘法的Lm1拟合曲线，为了保证拟合精度，我们采用三阶拟合，拟合表达式为
Lm1＝39.42e3-19.71e2-0.77e+1.258 (11)
然后公式(8)变成
通过拟合方法，可以根据转子偏心值更新Lm1，提高了控制系统的精度。
5.根据权利要求1所述的一种基于优化互感的改进磁悬浮异步电机气隙磁通控制方法，其特征在于：对基于优化互感的改进气隙磁通控制进行了仿真：分别测试了两种载荷条件(10N.m和12N.m)和突然载荷条件(14N.m和16N.m)。在启动过程中，采用全磁通量模型，Ψa1为0.96Wb；在0.3s时，采用小气隙磁通量控制，在不同的负载条件下，Ψa1分别降至0.38Wb和0.56Wb；
在0.5s时，在不同的负载条件下，负载转矩增加，Ψa1增加到0.52Wb和0.68Wb。在这种方法下，可以获得较小的气隙流量，保证磁悬浮异步电机的正常运行，并为悬浮绕组的激励部分腾出更多的空间。
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