一種動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種磁懸浮永磁平面電機(jī)控制領(lǐng)域中的動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分配方法，建立全局坐標(biāo)系OXYZ和局部坐標(biāo)系oxyz，分配矩形線圈A1、A2、A3的電流iA1、iA2、iA3以及C1、C2、C3的iC1、iC2、iC3電流，通過A、C線圈組僅產(chǎn)生繞z軸的轉(zhuǎn)矩；分配矩形線圈B1、B2、B3的電流iB1、iB2、iB3以及D1、D2、D3的電流iD1、iD2、iD3，通過B、D線圈組僅產(chǎn)生繞z軸的轉(zhuǎn)矩：實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩之間以及轉(zhuǎn)矩與推力之間的解耦，運(yùn)算簡單、便捷，完全可以滿足運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)性的需要，從物理層面上根本解決了耦合問題，同時(shí)為磁懸浮永磁平面電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制與精確定位提供了良好的基礎(chǔ)和工程化方法。
【專利說明】
-種動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及磁懸浮永磁平面電機(jī)控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面 電機(jī)的電流分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁懸浮永磁平面電機(jī)直接采用磁懸浮實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，不需要支撐機(jī)構(gòu)，屬于一類 多輸入多輸出運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，多個(gè)自由度之間存在禪合作用，單一自由度的長行程運(yùn)動(dòng)，將影響 其他自由度的定位精度。為提高該電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制與定位精度，必須實(shí)現(xiàn)電機(jī)推力/轉(zhuǎn)矩之間 的解禪。但是，目前針對該種電機(jī)的設(shè)計(jì)，大多是對其自由度的控制算法進(jìn)行改進(jìn)，并沒有 從本質(zhì)上解決各自由度之間的禪合問題，永磁平面電機(jī)的禪合問題是要對電機(jī)推力/轉(zhuǎn)矩 之間進(jìn)行解禪，包括推力之間的解禪W及轉(zhuǎn)矩之間的解禪。
[0003] 動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)是動(dòng)子為線圈陣列、定子為永磁陣列的平面電機(jī)，其 結(jié)構(gòu)參見圖1和圖2所示，定子由兩種體積不同的永磁體排列成化Ibadi永磁陣列1組成，兩 種永磁體厚度相等，大永磁體磁化強(qiáng)度與小永磁體磁化強(qiáng)度相同，但磁化方向正交;運(yùn)樣形 成的磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度一側(cè)很強(qiáng)，而另一側(cè)則較弱，動(dòng)子安放在磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)側(cè);動(dòng)子沒 有鐵屯、，為12個(gè)線圈組成的線圈陣列2。線圈陣列2包含A、B、C、D運(yùn)4個(gè)線圈組，4個(gè)線圈組呈 "十"字形居中放置，A線圈組與C線圈組相對排列，B線圈組與D線圈組相對排列。每個(gè)線圈組 都有Ξ個(gè)矩形線圈組成，A線圈組由A1、A2、A3運(yùn)Ξ個(gè)矩形線圈組成，B線圈組由B1、B2、B3運(yùn) Ξ個(gè)矩形線圈組成，C線圈組由C1、C2、C3運(yùn)Ξ個(gè)矩形線圈組成，D線圈組由D1、D2、D3運(yùn)Ξ個(gè) 矩形線圈組成。取極距τη為磁化方向相同的相鄰兩塊大磁鋼的中屯、距的一半，每個(gè)矩形線 圈長度L都為偶數(shù)倍極距τ。，同一個(gè)線圈組中的相鄰兩個(gè)矩形線圈的軸線之間相距V3倍極 距τη。當(dāng)給線圈分配電流時(shí)，就會與定子中的磁場相作用產(chǎn)生推力/轉(zhuǎn)矩。
[0004] 文獻(xiàn)：一種動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)實(shí)時(shí)電流分配策略（中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2013,33(6) :144-152.張新華，孫玉坤，項(xiàng)倩姜，等），提出了動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)產(chǎn) 生水平推力和懸浮力的電流分配策略，根據(jù)期望的懸浮力和水平推力確定線圈陣列中各線 圈的電流，但是，該文獻(xiàn)內(nèi)容并沒有確定出線圈陣列中各線圈的轉(zhuǎn)矩電流，電流分配策略并 不設(shè)及到轉(zhuǎn)矩，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此，僅能實(shí)現(xiàn)推力之間或推力與轉(zhuǎn)矩之間的解禪，但是無法 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩之間W及轉(zhuǎn)矩與推力之間的解禪。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是克服上述現(xiàn)有動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)電流分配策略存在的問 題，提出一種動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分配方法，通過對4個(gè)線圈組進(jìn)行合理 的電流分配，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩之間W及轉(zhuǎn)矩與推力之間的解禪。
[0006] 本發(fā)明一種動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分配方法采用的技術(shù)方案是： 所述動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的定子由化化曰(^永磁陣列組成，動(dòng)子由12個(gè)線圈組成的 線圈陣列，線圈陣列包含4、8、(：、0運(yùn)4個(gè)線圈組，4、(：線圈組相對排列，8、0線圈組相對排列，八 線圈組由A1、A2、A3運(yùn)Ξ個(gè)矩形線圈組成，B線圈組由B1、B2、B3運(yùn)Ξ個(gè)矩形線圈組成，C線圈 組由C1、C2、C3運(yùn)Ξ個(gè)矩形線圈組成，D線圈組由D1、D2、D3運(yùn)Ξ個(gè)矩形線圈組成，包括W下步 驟：
[0007] 1)建立全局坐標(biāo)系0XYZ和局部坐標(biāo)系oxyz，坐標(biāo)原點(diǎn)0是化化ach永磁陣列上表面 的咐及磁鋼中屯、，坐標(biāo)原點(diǎn)0是線圈陣列的中屯、，X、x軸向均與B、D線圈組中的各矩形線圈長 度方向一致，Y、y軸向均與A、C線圈組中的各矩形線圈長度方向一致，Z軸向、Z軸向均與 化化ach永磁陣列的高度方向一致，在全局坐標(biāo)系0XYZ中動(dòng)子的中屯、點(diǎn)坐標(biāo)為(Xc，Yc，Zc); [000引 2)矩形線圈A1、A2、A3的電流141、1&2、143^及(：1、〔2、〔3的^1、^2、^3電流分配為
通過A、C線圈組僅產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩；
[0009] 3)矩形線圈 B1、B2、B3 的電流 161、162、163^及01、02、03的電流1〇1、1〇2、1〇3分配為
通過B、D線圈組僅產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩：
[0010] Im是線圈的電流幅值，α =城cAn，β =妍cAn，τη-永磁陣列磁場極距。
[00川進(jìn)一步地，A、C線圈組中各矩形線圈的電流為
通過A、C線圈組僅產(chǎn)生繞X軸的轉(zhuǎn)矩；B、D線圈組中各矩形線圈的電流為
通過B、D線圈組僅產(chǎn)生繞y軸的轉(zhuǎn)矩。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明根據(jù)磁懸浮平面電機(jī)的受力方程， 依據(jù)動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的電磁推力/轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，可W方便地確定線圈組中各 線圈的轉(zhuǎn)矩電流，對多個(gè)線圈的通電電流進(jìn)行合理分配，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩之間W及轉(zhuǎn)矩與推力之 間的解禪。運(yùn)算簡單、便捷，完全可W滿足運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)性的需要，從物理層面上根本解決 了禪合問題；同時(shí)為磁懸浮永磁平面電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制與精確定位提供了良好的基礎(chǔ)和工程 化方法。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明中所述動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖1中：1-化化adi永磁陣列；2-線圈陣列;A1、A2、A3-A線圈組中的Ξ個(gè)矩形線圈； B1、B2、B3-B線圈組中的Ξ個(gè)矩形線圈；C1、C2、C3-C線圈組中的Ξ個(gè)矩形線圈；D1、D2、D3-D 線圈組中的Ξ個(gè)矩形線圈；Τη-永磁陣列磁場極距;L-線圈長度;0XYZ-全局坐標(biāo)系;oxyz-局 部坐標(biāo)系。
[001引圖2為圖1中A-A剖面圖；
[0016]圖2中：hm-磁鋼高度;0XYZ-全局坐標(biāo)系;0巧Z-局部坐標(biāo)系。
[0017]圖3為圖1所示動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)中的A線圈組僅產(chǎn)生X軸向推力時(shí)工作 情況示意圖
[001引圖3中：iAi、iA2、iA3-Al、A2、A3線圈的電流;Fax-A線圈組產(chǎn)生的X軸向推力；Taz-A線 圈組產(chǎn)生的繞Z軸轉(zhuǎn)矩;Ταυ-Α線圈組產(chǎn)生的繞y軸轉(zhuǎn)矩;0XYZ-全局坐標(biāo)系；oxyz-局部坐標(biāo) 系。
[0019] 圖4為圖1所示動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)中的A線圈組僅產(chǎn)生Z軸向推力時(shí)工作 情況示意圖
[0020] 圖4中：iAl、iA2、iA3-Al、A2、A3線圈的電流;FAz-A線圈組產(chǎn)生的z軸向推力；TAχ-A線 圈組產(chǎn)生的繞X軸轉(zhuǎn)矩;Ταυ-Α線圈組產(chǎn)生的繞y軸轉(zhuǎn)矩;0XYZ-全局坐標(biāo)系；oxyz-局部坐標(biāo) 系。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 參見圖1和圖2，對動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)結(jié)構(gòu)建立全局坐標(biāo)系0XYZ和局部坐 標(biāo)系oxyz，并將全局坐標(biāo)系0XYZ的坐標(biāo)原點(diǎn)0定義在定子的化化ach永磁陣列1上表面的N極 磁鋼中屯、，將局部坐標(biāo)系oxyz的坐標(biāo)原點(diǎn)0定義在動(dòng)子的線圈陣列2的中屯、。X軸向、X軸向均 與B、D線圈組中的各矩形線圈長度L的方向一致，Y軸向、y軸向均與A、C線圈組中的各矩形線 圈長度L的方向一致，Z軸向、Z軸向均與磁鋼高度hm的方向一致，即化化a(：h永磁陣列1的高 度方向一致。
[0022] 則化化ach永磁陣列1產(chǎn)生的空間Ξ維基波磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式如下：
[0023]
[0024] 式中，τη為永磁陣列磁場的極距，Km為磁場在化化adi永磁陣列1上表面處磁感應(yīng)強(qiáng) 度幅值。Bx、化和Bz為Ξ維基波磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度X軸向分量、Y軸向分量和Z軸向分量。&(隨乂呈 正弦變化，與Y無關(guān);By隨Y呈正弦變化，與X無關(guān);Bz隨X呈余弦變化，但在其上疊加了大小隨Y 呈余弦變化的直流分量，或者Bz隨Y呈余弦變化，但在其上疊加了大小隨X呈余弦變化的直 流分量;各分量的幅值均隨Z的增大而呈指數(shù)規(guī)律減小。
[00巧]在全局坐標(biāo)系0XYZ中，動(dòng)子的中屯、點(diǎn)坐標(biāo)為(XC，YC，ZC)，定義參數(shù)α =城cAn，i3 = 3i YcAn，各矩形線圈的電流幅值均為Im，規(guī)定逆時(shí)針方向?yàn)榫€圈電流參考方向。
[0026] A線圈組僅產(chǎn)生X軸向推力時(shí)工作情況示意圖如圖3所示，圖3中各物理量的方向均 為參考方向，A1、A2和Α3Ξ個(gè)矩形線圈中的電流與參考方向相同，且iAi、iA2和iA3取值如下
[0027]
[00%]貝IJA線圈組產(chǎn)生的X軸向推力Fax不為零，產(chǎn)生的y軸向推力Fay和Z軸向推力Faz均為 零;A線圈組所受分布力產(chǎn)生的繞y軸的轉(zhuǎn)矩TAy和繞z軸的轉(zhuǎn)矩Taz均不為零，產(chǎn)生的繞X軸的 轉(zhuǎn)矩Tax為零。
[0029] A線圈組僅產(chǎn)生Z軸向推力時(shí)工作情況示意圖如圖4所示，圖4中各物理量的方向均 為參考方向，A1、A2和Α3Ξ個(gè)矩形線圈中的電流與參考方向相同，且iAi、iA2和iA3取值如下
[0030]
[0031] 貝IJA線圈組產(chǎn)生的Z軸向推力Faz不為零，產(chǎn)生的X軸向推力Fax和y軸向推力Fay均為 零;A線圈組所受分布力產(chǎn)生的繞X軸的轉(zhuǎn)矩Tax和繞y軸的轉(zhuǎn)矩TAy均不為零，產(chǎn)生的繞Z軸的 轉(zhuǎn)矩Taz為零。
[0032] 同理，其余的C、B、DS個(gè)矩形線圈組僅產(chǎn)生X軸向推力或Z軸向的推力的工作情況 與A線圈組的工作原理類似，此處不再寶述。因此，可通過A、C線圈組或B、D線圈組僅產(chǎn)生繞Z 軸的轉(zhuǎn)矩，通過A、C線圈組僅產(chǎn)生繞X軸的轉(zhuǎn)矩，B、D線圈組僅產(chǎn)生繞y軸的轉(zhuǎn)矩，各組線圈的 轉(zhuǎn)矩電流分配方法如下：
[0033] 1)通過A、C線圈組僅產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩:各線圈中的電流與參考方向相同且取值如 下
[0034]
[00巧]式中，ici、ic2和ic3分別為C線圈組中Ξ個(gè)矩形線圈C1、C2、C3中的電流。A、C線圈組 所產(chǎn)生y軸向和Z軸向推力均為零，X軸向推力大小相等，方向相反，相互抵消;兩組線圈組所 產(chǎn)生繞X軸的轉(zhuǎn)矩為零，繞y軸的轉(zhuǎn)矩也大小相等，方向相反，相互抵消，繞Z軸的轉(zhuǎn)矩相同， 相互疊加;此時(shí)動(dòng)子僅產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩，繞X軸、繞y軸的轉(zhuǎn)矩均為零，各向推力也為零。
[0036] 通過B、D線圈組僅產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩:各線圈中的電流與參考方向相同且取值如下
[0037]
[003引式中，和iB3分別為矩形線圈B1、B2和B3中的電流，iDl、iD2和iD3分別為矩形線 圈D1、D2和D3中的電流。B、D運(yùn)兩個(gè)線圈組所產(chǎn)生X軸向和Z軸向推力均為零，y軸向推力大小 相等，方向相反，相互抵消;兩個(gè)線圈組所產(chǎn)生繞y軸的轉(zhuǎn)矩為零，繞X軸的轉(zhuǎn)矩也大小相等， 方向相反，相互抵消，繞Z軸的轉(zhuǎn)矩相同，相互疊加;此時(shí)動(dòng)子僅產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩，繞X軸、繞 y軸的轉(zhuǎn)矩均為零，各向推力也為零。
[0039] 2)通過A、C線圈組僅產(chǎn)生繞X軸的轉(zhuǎn)矩:各線圈中的電流與參考方向相同且取值如 下
[0040]
[0041] A、C線圈組所產(chǎn)生X軸向和y軸向推力為零，Z軸向推力大小相等，方向相反，相互抵 消;兩線圈組所產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩為零，繞y軸的轉(zhuǎn)矩也大小相等，方向相反，相互抵消，繞X 軸的轉(zhuǎn)矩相同，相互疊加;此時(shí)動(dòng)子僅產(chǎn)生繞X軸的轉(zhuǎn)矩，繞Z軸、繞y軸的轉(zhuǎn)矩均為零，各向 推力也為零。
[0042] 3)通過B、D線圈組僅產(chǎn)生繞y軸的轉(zhuǎn)矩:各線圈中的電流與參考方向相同且取值如 下
[0043]
[0044] 兩個(gè)線圈組所產(chǎn)生X軸向和y軸向推力為零，Z軸向推力大小相等，方向相反，相互 抵消;兩線圈組所產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)矩為零，繞X軸的轉(zhuǎn)矩也大小相等，方向相反，相互抵消，繞 y軸的轉(zhuǎn)矩相同，相互疊加;此時(shí)動(dòng)子僅產(chǎn)生繞y軸的轉(zhuǎn)矩，繞Z軸、繞X軸的轉(zhuǎn)矩均為零，各向 推力也為零。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分配方法，所述動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面 電機(jī)的定子由Halbach永磁陣列組成、動(dòng)子是由12個(gè)線圈組成的線圈陣列，線圈陣列包含A、 B、C、D這4個(gè)線圈組，A、C線圈組相對排列，B、D線圈組相對排列，A線圈組由A1、A2、A3這三個(gè) 矩形線圈組成，B線圈組由Bl、B2、B3這三個(gè)矩形線圈組成，C線圈組由Cl、C2、C3這三個(gè)矩形 線圈組成，D線圈組由D1、D2、D3這三個(gè)矩形線圈組成，其特征是包括以下步驟： 1) 建立全局坐標(biāo)系OXYZ和局部坐標(biāo)系oxyz，原點(diǎn)0是Halbach永磁陣列上表面的N極磁 鋼中心，原點(diǎn)〇是線圈陣列的中心，X、X軸向均與B、D線圈組中的各矩形線圈長度方向一致， Y、y軸向均與A、C線圈組中的各矩形線圈長度方向一致，Z、z軸向均與Halbach永磁陣列的高 度方向一致，在全局坐標(biāo)系OXYZ中動(dòng)子的中心點(diǎn)坐標(biāo)為(Xc，Yc，Zc); 2) 矩形線圈Al、A2、A3的電流iAl、iA2、iA3以及Cl、C2、C3的icl、ic2、ic3電流分配為通過A、C線圈組僅產(chǎn)生繞z軸的轉(zhuǎn)矩； 3) 矩形線圈81、82、83的電流&1、&2、&3以及01、02、03的電流^ 1、&2、43分配為通過B、D線圈組僅產(chǎn)生繞z軸的轉(zhuǎn)矩： Im是線圈的電流幅值，a = JTXC/Tn，β = JiYc/Tn，τη-永磁陣列磁場極距。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分配方法，其特征 是:A、C線圈組中各矩形線圈的電流分配）[過A、C線圈組僅 產(chǎn)生繞X軸的轉(zhuǎn)矩。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分配方法，其特征 是:B、D線圈組中各矩形線圈的電流分配）重過B、D線圈組僅 產(chǎn)生繞y軸的轉(zhuǎn)矩。
【文檔編號】H02N15/00GK105871257SQ201610290871
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】張新華, 朱慶, 孫玉坤, 楊澤斌
【申請人】江蘇大學(xué)