一种动圈式磁悬浮永磁平面电机的转矩电流分配方法
【专利摘要】本发明公开一种磁悬浮永磁平面电机控制领域中的动圈式磁悬浮永磁平面电机的转矩电流分配方法，建立全局坐标系OXYZ和局部坐标系oxyz，分配矩形线圈A1、A2、A3的电流iA1、iA2、iA3以及C1、C2、C3的iC1、iC2、iC3电流，通过A、C线圈组仅产生绕z轴的转矩；分配矩形线圈B1、B2、B3的电流iB1、iB2、iB3以及D1、D2、D3的电流iD1、iD2、iD3，通过B、D线圈组仅产生绕z轴的转矩：实现转矩之间以及转矩与推力之间的解耦，运算简单、便捷，完全可以满足运动控制实时性的需要，从物理层面上根本解决了耦合问题，同时为磁悬浮永磁平面电机的运动控制与精确定位提供了良好的基础和工程化方法。
【专利说明】
-种动圈式磁悬浮永磁平面电机的转矩电流分配方法
技术领域
[0001] 本发明设及磁悬浮永磁平面电机控制领域，具体设及一种动圈式磁悬浮永磁平面 电机的电流分配方法。
【背景技术】
[0002] 磁悬浮永磁平面电机直接采用磁悬浮实现平面运动，不需要支撑机构，属于一类 多输入多输出运动系统，多个自由度之间存在禪合作用，单一自由度的长行程运动，将影响 其他自由度的定位精度。为提高该电机运动控制与定位精度，必须实现电机推力/转矩之间 的解禪。但是，目前针对该种电机的设计，大多是对其自由度的控制算法进行改进，并没有 从本质上解决各自由度之间的禪合问题，永磁平面电机的禪合问题是要对电机推力/转矩 之间进行解禪，包括推力之间的解禪W及转矩之间的解禪。
[0003] 动圈式磁悬浮永磁平面电机是动子为线圈阵列、定子为永磁阵列的平面电机，其 结构参见图1和图2所示，定子由两种体积不同的永磁体排列成化Ibadi永磁阵列1组成，两 种永磁体厚度相等，大永磁体磁化强度与小永磁体磁化强度相同，但磁化方向正交;运样形 成的磁场磁感应强度一侧很强，而另一侧则较弱，动子安放在磁场磁感应强度强侧;动子没 有铁屯、，为12个线圈组成的线圈阵列2。线圈阵列2包含A、B、C、D运4个线圈组，4个线圈组呈 "十"字形居中放置，A线圈组与C线圈组相对排列，B线圈组与D线圈组相对排列。每个线圈组 都有Ξ个矩形线圈组成，A线圈组由A1、A2、A3运Ξ个矩形线圈组成，B线圈组由B1、B2、B3运 Ξ个矩形线圈组成，C线圈组由C1、C2、C3运Ξ个矩形线圈组成，D线圈组由D1、D2、D3运Ξ个 矩形线圈组成。取极距τη为磁化方向相同的相邻两块大磁钢的中屯、距的一半，每个矩形线 圈长度L都为偶数倍极距τ。，同一个线圈组中的相邻两个矩形线圈的轴线之间相距V3倍极 距τη。当给线圈分配电流时，就会与定子中的磁场相作用产生推力/转矩。
[0004] 文献：一种动圈式磁悬浮永磁平面电机实时电流分配策略（中国电机工程学报， 2013,33(6) :144-152.张新华，孙玉坤，项倩姜，等），提出了动圈式磁悬浮永磁平面电机产 生水平推力和悬浮力的电流分配策略，根据期望的悬浮力和水平推力确定线圈阵列中各线 圈的电流，但是，该文献内容并没有确定出线圈阵列中各线圈的转矩电流，电流分配策略并 不设及到转矩，不产生转矩，因此，仅能实现推力之间或推力与转矩之间的解禪，但是无法 实现转矩之间W及转矩与推力之间的解禪。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是克服上述现有动圈式磁悬浮永磁平面电机电流分配策略存在的问 题，提出一种动圈式磁悬浮永磁平面电机的转矩电流分配方法，通过对4个线圈组进行合理 的电流分配，实现转矩之间W及转矩与推力之间的解禪。
[0006] 本发明一种动圈式磁悬浮永磁平面电机的转矩电流分配方法采用的技术方案是： 所述动圈式磁悬浮永磁平面电机的定子由化化曰(^永磁阵列组成，动子由12个线圈组成的 线圈阵列，线圈阵列包含4、8、(：、0运4个线圈组，4、(：线圈组相对排列，8、0线圈组相对排列，八 线圈组由A1、A2、A3运Ξ个矩形线圈组成，B线圈组由B1、B2、B3运Ξ个矩形线圈组成，C线圈 组由C1、C2、C3运Ξ个矩形线圈组成，D线圈组由D1、D2、D3运Ξ个矩形线圈组成，包括W下步 骤：
[0007] 1)建立全局坐标系0XYZ和局部坐标系oxyz，坐标原点0是化化ach永磁阵列上表面 的咐及磁钢中屯、，坐标原点0是线圈阵列的中屯、，X、x轴向均与B、D线圈组中的各矩形线圈长 度方向一致，Y、y轴向均与A、C线圈组中的各矩形线圈长度方向一致，Z轴向、Z轴向均与 化化ach永磁阵列的高度方向一致，在全局坐标系0XYZ中动子的中屯、点坐标为(Xc，Yc，Zc); [000引 2)矩形线圈A1、A2、A3的电流141、1&2、143^及(：1、〔2、〔3的^1、^2、^3电流分配为
通过A、C线圈组仅产生绕Z轴的转矩；
[0009] 3)矩形线圈 B1、B2、B3 的电流 161、162、163^及01、02、03的电流1〇1、1〇2、1〇3分配为
通过B、D线圈组仅产生绕Z轴的转矩：
[0010] Im是线圈的电流幅值，α =城cAn，β =妍cAn，τη-永磁阵列磁场极距。
[00川进一步地，A、C线圈组中各矩形线圈的电流为
通过A、C线圈组仅产生绕X轴的转矩；B、D线圈组中各矩形线圈的电流为
通过B、D线圈组仅产生绕y轴的转矩。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明根据磁悬浮平面电机的受力方程， 依据动圈式磁悬浮永磁平面电机的电磁推力/转矩数学模型，可W方便地确定线圈组中各 线圈的转矩电流，对多个线圈的通电电流进行合理分配，实现转矩之间W及转矩与推力之 间的解禪。运算简单、便捷，完全可W满足运动控制实时性的需要，从物理层面上根本解决 了禪合问题；同时为磁悬浮永磁平面电机的运动控制与精确定位提供了良好的基础和工程 化方法。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明中所述动圈式磁悬浮永磁平面电机结构示意图；
[0014] 图1中：1-化化adi永磁阵列；2-线圈阵列;A1、A2、A3-A线圈组中的Ξ个矩形线圈； B1、B2、B3-B线圈组中的Ξ个矩形线圈；C1、C2、C3-C线圈组中的Ξ个矩形线圈；D1、D2、D3-D 线圈组中的Ξ个矩形线圈；Τη-永磁阵列磁场极距;L-线圈长度;0XYZ-全局坐标系;oxyz-局 部坐标系。
[001引图2为图1中A-A剖面图；
[0016]图2中：hm-磁钢高度;0XYZ-全局坐标系;0巧Z-局部坐标系。
[0017]图3为图1所示动圈式磁悬浮永磁平面电机中的A线圈组仅产生X轴向推力时工作 情况示意图
[001引图3中：iAi、iA2、iA3-Al、A2、A3线圈的电流;Fax-A线圈组产生的X轴向推力；Taz-A线 圈组产生的绕Z轴转矩;Ταυ-Α线圈组产生的绕y轴转矩;0XYZ-全局坐标系；oxyz-局部坐标 系。
[0019] 图4为图1所示动圈式磁悬浮永磁平面电机中的A线圈组仅产生Z轴向推力时工作 情况示意图
[0020] 图4中：iAl、iA2、iA3-Al、A2、A3线圈的电流;FAz-A线圈组产生的z轴向推力；TAχ-A线 圈组产生的绕X轴转矩;Ταυ-Α线圈组产生的绕y轴转矩;0XYZ-全局坐标系；oxyz-局部坐标 系。
【具体实施方式】
[0021 ] 参见图1和图2，对动圈式磁悬浮永磁平面电机结构建立全局坐标系0XYZ和局部坐 标系oxyz，并将全局坐标系0XYZ的坐标原点0定义在定子的化化ach永磁阵列1上表面的N极 磁钢中屯、，将局部坐标系oxyz的坐标原点0定义在动子的线圈阵列2的中屯、。X轴向、X轴向均 与B、D线圈组中的各矩形线圈长度L的方向一致，Y轴向、y轴向均与A、C线圈组中的各矩形线 圈长度L的方向一致，Z轴向、Z轴向均与磁钢高度hm的方向一致，即化化a(：h永磁阵列1的高 度方向一致。
[0022] 则化化ach永磁阵列1产生的空间Ξ维基波磁场磁感应强度表达式如下：
[0023]
[0024] 式中，τη为永磁阵列磁场的极距，Km为磁场在化化adi永磁阵列1上表面处磁感应强 度幅值。Bx、化和Bz为Ξ维基波磁场磁感应强度X轴向分量、Y轴向分量和Z轴向分量。&(随乂呈 正弦变化，与Y无关;By随Y呈正弦变化，与X无关;Bz随X呈余弦变化，但在其上叠加了大小随Y 呈余弦变化的直流分量，或者Bz随Y呈余弦变化，但在其上叠加了大小随X呈余弦变化的直 流分量;各分量的幅值均随Z的增大而呈指数规律减小。
[00巧]在全局坐标系0XYZ中，动子的中屯、点坐标为(XC，YC，ZC)，定义参数α =城cAn，i3 = 3i YcAn，各矩形线圈的电流幅值均为Im，规定逆时针方向为线圈电流参考方向。
[0026] A线圈组仅产生X轴向推力时工作情况示意图如图3所示，图3中各物理量的方向均 为参考方向，A1、A2和Α3Ξ个矩形线圈中的电流与参考方向相同，且iAi、iA2和iA3取值如下
[0027]
[00%]贝IJA线圈组产生的X轴向推力Fax不为零，产生的y轴向推力Fay和Z轴向推力Faz均为 零;A线圈组所受分布力产生的绕y轴的转矩TAy和绕z轴的转矩Taz均不为零，产生的绕X轴的 转矩Tax为零。
[0029] A线圈组仅产生Z轴向推力时工作情况示意图如图4所示，图4中各物理量的方向均 为参考方向，A1、A2和Α3Ξ个矩形线圈中的电流与参考方向相同，且iAi、iA2和iA3取值如下
[0030]
[0031] 贝IJA线圈组产生的Z轴向推力Faz不为零，产生的X轴向推力Fax和y轴向推力Fay均为 零;A线圈组所受分布力产生的绕X轴的转矩Tax和绕y轴的转矩TAy均不为零，产生的绕Z轴的 转矩Taz为零。
[0032] 同理，其余的C、B、DS个矩形线圈组仅产生X轴向推力或Z轴向的推力的工作情况 与A线圈组的工作原理类似，此处不再寶述。因此，可通过A、C线圈组或B、D线圈组仅产生绕Z 轴的转矩，通过A、C线圈组仅产生绕X轴的转矩，B、D线圈组仅产生绕y轴的转矩，各组线圈的 转矩电流分配方法如下：
[0033] 1)通过A、C线圈组仅产生绕Z轴的转矩:各线圈中的电流与参考方向相同且取值如 下
[0034]
[00巧]式中，ici、ic2和ic3分别为C线圈组中Ξ个矩形线圈C1、C2、C3中的电流。A、C线圈组 所产生y轴向和Z轴向推力均为零，X轴向推力大小相等，方向相反，相互抵消;两组线圈组所 产生绕X轴的转矩为零，绕y轴的转矩也大小相等，方向相反，相互抵消，绕Z轴的转矩相同， 相互叠加;此时动子仅产生绕Z轴的转矩，绕X轴、绕y轴的转矩均为零，各向推力也为零。
[0036] 通过B、D线圈组仅产生绕Z轴的转矩:各线圈中的电流与参考方向相同且取值如下
[0037]
[003引式中，和iB3分别为矩形线圈B1、B2和B3中的电流，iDl、iD2和iD3分别为矩形线 圈D1、D2和D3中的电流。B、D运两个线圈组所产生X轴向和Z轴向推力均为零，y轴向推力大小 相等，方向相反，相互抵消;两个线圈组所产生绕y轴的转矩为零，绕X轴的转矩也大小相等， 方向相反，相互抵消，绕Z轴的转矩相同，相互叠加;此时动子仅产生绕Z轴的转矩，绕X轴、绕 y轴的转矩均为零，各向推力也为零。
[0039] 2)通过A、C线圈组仅产生绕X轴的转矩:各线圈中的电流与参考方向相同且取值如 下
[0040]
[0041] A、C线圈组所产生X轴向和y轴向推力为零，Z轴向推力大小相等，方向相反，相互抵 消;两线圈组所产生绕Z轴的转矩为零，绕y轴的转矩也大小相等，方向相反，相互抵消，绕X 轴的转矩相同，相互叠加;此时动子仅产生绕X轴的转矩，绕Z轴、绕y轴的转矩均为零，各向 推力也为零。
[0042] 3)通过B、D线圈组仅产生绕y轴的转矩:各线圈中的电流与参考方向相同且取值如 下
[0043]
[0044] 两个线圈组所产生X轴向和y轴向推力为零，Z轴向推力大小相等，方向相反，相互 抵消;两线圈组所产生绕Z轴的转矩为零，绕X轴的转矩也大小相等，方向相反，相互抵消，绕 y轴的转矩相同，相互叠加;此时动子仅产生绕y轴的转矩，绕Z轴、绕X轴的转矩均为零，各向 推力也为零。
【主权项】
1. 一种动圈式磁悬浮永磁平面电机的转矩电流分配方法，所述动圈式磁悬浮永磁平面 电机的定子由Halbach永磁阵列组成、动子是由12个线圈组成的线圈阵列，线圈阵列包含A、 B、C、D这4个线圈组，A、C线圈组相对排列，B、D线圈组相对排列，A线圈组由A1、A2、A3这三个 矩形线圈组成，B线圈组由Bl、B2、B3这三个矩形线圈组成，C线圈组由Cl、C2、C3这三个矩形 线圈组成，D线圈组由D1、D2、D3这三个矩形线圈组成，其特征是包括以下步骤： 1) 建立全局坐标系OXYZ和局部坐标系oxyz，原点0是Halbach永磁阵列上表面的N极磁 钢中心，原点〇是线圈阵列的中心，X、X轴向均与B、D线圈组中的各矩形线圈长度方向一致， Y、y轴向均与A、C线圈组中的各矩形线圈长度方向一致，Z、z轴向均与Halbach永磁阵列的高 度方向一致，在全局坐标系OXYZ中动子的中心点坐标为(Xc，Yc，Zc); 2) 矩形线圈Al、A2、A3的电流iAl、iA2、iA3以及Cl、C2、C3的icl、ic2、ic3电流分配为通过A、C线圈组仅产生绕z轴的转矩； 3) 矩形线圈81、82、83的电流&1、&2、&3以及01、02、03的电流^ 1、&2、43分配为通过B、D线圈组仅产生绕z轴的转矩： Im是线圈的电流幅值，a = JTXC/Tn，β = JiYc/Tn，τη-永磁阵列磁场极距。2. 根据权利要求1所述一种动圈式磁悬浮永磁平面电机的转矩电流分配方法，其特征 是:A、C线圈组中各矩形线圈的电流分配）[过A、C线圈组仅 产生绕X轴的转矩。3. 根据权利要求2所述一种动圈式磁悬浮永磁平面电机的转矩电流分配方法，其特征 是:B、D线圈组中各矩形线圈的电流分配）重过B、D线圈组仅 产生绕y轴的转矩。
【文档编号】H02N15/00GK105871257SQ201610290871
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】张新华, 朱庆, 孙玉坤, 杨泽斌
【申请人】江苏大学