基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，包括如下步骤：步骤一，转子轮廓设计；步骤二，磁场耦合快速算法；步骤三，驱动机构的控制方法设计；本发明是对电-永磁转子直接驱动系统的一种完整设计方案，从最初的转子轮廓一直延伸到磁场计算，最后到提出控制驱动系统的可行办法。由这种设计方法所完成的驱动系统设计，能够藉由电流的控制直接决定系统的位移、速度、加速度输出，在电磁学计算方面，提出了一种基于环形电流线圈的永磁体磁场计算方式，相较于其他电磁学商用计算器软件能更快地进行多变量求解，且大幅度的缩短前期设计所需投入的时间成本。
【专利说明】基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电磁-永磁耦合驱动器系统辅助设计流程【技术领域】，具体地，涉及一 种基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法。
【背景技术】
[0002] 在电-永磁耦合直接驱动器中，永磁转子的轮廓外型直接的影响驱动器输出的性 能，因此需要制定一套设计转子轮廓的流程，来满足驱动器的特定输出要求。此外由于转子 是藉由永磁体磁场与外加电磁场耦合产生力矩进行驱动，必须计算磁场耦合的结果。然而 使用一般商业大型电磁学计算软件并不能快速地得到计算结果，求解时间长是目前商用软 件的缺点，因此有必要提出一套对电磁场与永磁体磁场耦合计算的算法。最后由于控制需 求，需要给出一种对电-永磁耦合直接驱动器的控制方法。
[0003]目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资 料。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于转子廓型和磁场耦合的 电-永磁转子系统设计方法，该方法是针对驱动器中永磁体转子的轮廓设计流程、快速求 解电-永磁场耦合算法以及电磁-永磁耦合驱动器系统可行控制方式提出的，包括三大范 畴：一是刚体力学部分，内容涉及转子轮廓的设计；二是电磁学部分，内容涉及磁场耦合快 速算法；三是电流控制部分，内容涉及驱动机构的控制方法。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的。
[0006] 一种基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一，转子轮廓设计；
[0008] 步骤二，磁场耦合快速算法；
[0009] 步骤三，驱动机构的控制方法设计；
[0010] 其中，
[0011] 所述步骤一包括如下步骤：
[0012] 步骤1.1，使用双谐波函数进行转子轮廓曲线的初步设计；
[0013] 步骤1. 2,对步骤1. 1输出的转子轮廓曲线进行曲线评判；
[0014] 步骤1. 3,对步骤1. 2中评判后的转子轮廓曲线进行转子偏摆区间选用；
[0015] 步骤1. 4,求步骤1. 3中转子偏摆过程所需的最小力矩；
[0016] 所述步骤二包括如下步骤：
[0017] 步骤2. 1，对磁场中的永磁体线圈等效处理；
[0018] 步骤2. 2,计算步骤2. 1中经过线圈等效后的永磁体表面磁场分布；
[0019] 步骤2· 3,计算外加螺线管线圈磁场分布；
[0020] 步骤2. 4,计算转子上的磁力矩，并求得转角外加螺线管激励电流-力矩三参量曲 线；所述转角-外加螺线管激励电流-力矩三参量曲线，是指：单元上的磁力后通过合力矩 公式求出不同偏转角度之下，受不同外加激励螺线管线圈电流所产生的对应力矩曲线；
[0021] 步骤2· 5,寻找三参量曲线中对应工作区间的螺线管激励电流的加载方式；
[0022] 所述步骤三包括如下步骤：
[0023]步骤3· 1，利用步骤2. 5产生的偏转过程及螺线管激励电流加载方式，进行电流控 制。
[0024] 优选地，所述步骤1· 1具体为：使用双谐波函数进行转子轮廓曲线的初步设计，如 下式：
[0025] Η( Θ ) =A1cos(ji 0)+A2cos(2 3i Θ)+Κ (1)
[0026] ν ( θ ) =-Aj π sin ( π θ )-Α2 (2 π ) sin (2 π θ ) ⑵
[0027] a(9) =-A1h2cos(h θ )-Α2(2 π )2c〇s(2 π θ) ⑶
[0028] j ( θ ) = Α: π 3sin (π θ ) +Α2 (2 π ) 3sin (2 π θ ) ⑷
[0029] 式⑴?⑷中，Η( θ )是输出位移曲线，ν( θ )是输出速度曲线，a( θ )是输出加 速度曲线，j(0)是输出加速度的导数曲线，Θ是归一化后的转子偏转角，4与^分别为输 出位移曲线表达式Η(θ)中余弦函数的待定系数，K为输出位移曲线表达式Η(θ)中的待 定常数；同时，由输出最大位移s、速度V、加速度α的边界条件：
【权利要求】
1. 一种基于转子廓型和磁场稱合的电-永磁转子系统设计方法，其特征在于，包括如 下步骤： 步骤一，转子轮廓设计； 步骤二，磁场耦合快速算法； 步骤三，驱动机构的控制方法设计； 其中， 所述步骤一包括如下步骤： 步骤1.1，使用双谐波函数进行转子轮廓曲线的初步设计； 步骤1. 2,对步骤I. 1输出的转子轮廓曲线进行曲线评判； 步骤1. 3,对步骤1. 2中评判后的转子轮廓曲线进行转子偏摆区间选用； 步骤1. 4,求步骤1. 3中转子偏摆过程所需的最小力矩； 所述步骤二包括如下步骤： 步骤2. 1，对磁场中的永磁体线圈等效处理； 步骤2. 2,计算步骤2. 1中经过线圈等效后的永磁体表面磁场分布； 步骤2. 3,计算外加螺线管线圈磁场分布； 步骤2. 4,计算转子上的磁力矩，并求得转角外加螺线管激励电流-力矩三参量曲线； 所述转角外加螺线管激励电流-力矩三参量曲线，是指：单元上的磁力后通过合力矩公式 求出不同偏转角度之下，受不同外加激励螺线管线圈电流所产生的对应力矩曲线； 步骤2. 5,寻找三参量曲线中对应工作区间的螺线管激励电流的加载方式； 所述步骤三包括如下步骤： 步骤3. 1，利用步骤2. 5产生的偏转过程及螺线管激励电流加载方式，进行电流控制。
2. 根据权利要求1所述的基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，其 特征在于，所述步骤I. 1具体为：使用双谐波函数进行转子轮廓曲线的初步设计，如下式： H( 0 ) =A1Cos(0 )+A2Cos(2 0)+K (1) V ( 0 ) =-A1sin〇 0 )-A2 (2 )sin(2 0 ) (2) a( 0 ) =-A12cos〇 0 )-A2(2 )2cos(2 0 ) (3) j(0) =A13sin(0 )+A2 (2 )3sin(2 0) (4) 式⑴?⑷中，H( 0 )是输出位移曲线，v( 0 )是输出速度曲线，a( 0 )是输出加速度 曲线，j(e)是输出加速度的导数曲线，9是归一化后的转子偏转角，A1与A2分别为输出位 移曲线表达式H(0)中余弦函数的待定系数，K为输出位移曲线表达式H(0)中的待定常 数；同时，由输出最大位移s、速度V、加速度a的边界条件： 'v= 0O=O^v =O a= 0 (5) =h 0=1V= 0 a^0 (6) 求得双谐波轮廓函数中的待定系数，式（6)中，h为输出推程中的最大推程数值。
3. 根据权利要求1所述的基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，其 特征在于，所述步骤1. 2具体为： 利用步骤I. 1中得到的输出位移曲线H( 0 )、输出速度曲线v( 0 )、输出加速度曲线a( 9 )、输出加速度的导数曲线j( 0 )来评定初步设计的转子轮廓曲线是否满足最大输出 推成要求以及加速度线性度要求； 若初步设计的转子轮廓曲线满足最大输出推成要求以及加速度线性度要求，便完成了 转子轮廓曲线的设计； 若初步设计的转子轮廓曲线未满足最大输出推成要求以及加速度线性度要求，则重复 步骤I. 1和步骤1. 2,直至初步设计的转子轮廓曲线满足要求。
4. 根据权利要求1所述的基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，其 特征在于，所述步骤1. 3具体为： 基于步骤1. 2所得出的转子轮廓曲线，选用输出加速度曲线a( 0 )中线性度最好的一 段对应的角度区间作为实际工作偏摆角度。
5. 根据权利要求1所述的基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，其 特征在于，所述步骤1. 4具体为： 计算转子在步骤1. 3中选用的偏摆区间里能保证正常旋转所需要的最小力矩。
6. 根据权利要求1所述的基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，其 特征在于，所述步骤2. 1具体为： 将计算对象永磁体划分成由多个磁畴片体的迭加，根据磁性材料内部极化方程式：
进一步将划分好的磁畴片体以电流线圈包覆，其中，载流线圈的N极方向与等效的磁 畴对象极化方向一致； 式（7)中，]i?是磁性材料的极化矢量；VxM项是安培定理的电流密度表述，该项表示 将磁性材料等效成电流线圈是可行的；5为磁通量密度，为真空磁导率，）为自由电子 的电流密度，F为极化矢量，t为时间，eCl为介电常数，￡为电场强度，￥为拉普拉斯算符。
7. 根据权利要求1所述的基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，其 特征在于，所述步骤2. 2具体为： 根据载流环形线圈圆柱坐标系下的磁场表达式：
求出经线圈等效后的永磁体表面磁场分布； 式（8)?（11)中，Hr(z，r)为螺线管磁场沿柱坐标径向上的分布表达式，Hz (z，r)为螺 线管磁场沿坐标轴z方向上的分布表达式，E(k)为式（8)与式（9)中E的展开式，K(k)为 式（8)与式（9)中K的展开式；其中，沿螺线管线圈中心线做一个剖面=Atc为矢量磁势，y 为磁导率，I为线圈电流，a为线圈半径，r为螺线管线圈径向上的坐标值，z为螺线管线圈 长度方向上的坐标值，K为第一类完全椭圆积分，E为第二类完全椭圆积分，k为椭圆模，Y 为模角。
8. 根据权利要求1所述的基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，其 特征在于，所述步骤2. 3具体为： 螺线管线圈磁场5办)由下式得到：
式（12)中，N为单位长度线圈匝数，I为线圈电流数值，b为螺线管长度数值的一半，z为螺线管中心点z轴方向上的坐标，z'为螺线管线圈上各点的z轴方向坐标相对于螺线管 中心点的变量，a为螺线管宽度的一半。
9. 根据权利要求1所述的基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，其 特征在于，所述步骤2. 4具体为： 由步骤2. 2和步骤2. 3可知永磁体与外加螺线管磁场激励的磁场分布，将永磁体和外 加螺线管磁场迭加后得到耦合磁场的总分布情况； 为了求得磁力矩，需先透过Maxwell张量矩阵求出永磁体在各个偏转角度下所受不同 外加螺线管电流激励产生的表面单元磁力分布，Maxwell张量矩阵如下所示：
求得单元上的磁力后通过合力矩公式求出不同偏转角度之下，受不同外加激励螺线管 线圈电流所产生的对应力矩曲线，即为转角-外加螺线管激励电流-力矩三参量曲线； 式（13)中，Fx、Fy、Fz分别为单元面上力的X，y，z坐标轴分量，Hx、Hy、Hz分别为单元面 上磁化强度矢量的X，y，z坐标轴分量，Sx、Sy、Sz分别为单兀面的X，y，z坐标轴分量，y为 磁导率。
10. 根据权利要求1所述的基于转子廓型和磁场耦合的电-永磁转子系统设计方法，其 特征在于，所述步骤2. 5具体为： 利用由步骤1. 3所得的工作偏转区间与步骤1. 4所得的工作偏转区间最小偏转力矩值 曲线，在步骤2. 4生成的转角-外加螺线管激励电流-力矩三参量曲线中对应出工作区间 的螺线管激励电流的加载方式。
【文档编号】G06F17/50GK104268315SQ201410461151
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】廖淳凯, 杨斌堂 申请人:上海交通大学