[发明专利]一种基于机电耦合特性的永磁直驱式传动轴参数设计方法

权利要求书

1.一种基于机电耦合特性的永磁直驱式传动轴参数设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：建立大功率永磁电机(1)直接驱动下系统主传动轴的机电耦合动力学模型，获取系统的动态信息

根据拉格朗日—麦克斯韦原理，对大功率永磁电机(1)直接驱动形式的刮板机系统进行分析，建立系统动力学模型，得到大功率永磁电机(1)电气参数与刮板机主传动轴机械参数的机电耦合关系；

S2：数值求解主传动轴机械参数的分岔临界值

选取刮板机主传动轴(3)刚度系数、阻尼系数为分岔参数，并将系统动力学模型转换为状态方程形式，获取系统的Jacobian矩阵并计算出其Hurwitz行列式，并根据Hurwitz稳定性判据，利用数值计算求解出刮板机主传动轴(3)刚度系数、阻尼系数的分岔临界值；

S3：分岔临界值邻域内对系统动力学模型进行降维处理

根据步骤S2确定的刮板机主传动轴(3)刚度系数、阻尼系数的分岔临界值，在其邻域内，基于中心流形理论，确定稳定流形参量与中心流形参量的关系式，实现对系统动力学模型的降维；

S4：确定分岔临界值邻域内的分岔类型

根据步骤S3得到的系统动力学模型的降维结果，依据规范型理论给出分岔临界值分岔类型的判断指标，并将大功率永磁电机电阻、电感、互感、磁势、输出轴转动惯量以及刮板机机头滚筒转动惯量物理参数值代入判断指标中，确定分岔临界值邻域内系统的分岔类型；

S5：根据联合仿真效果调整分岔参数临界值，综合输出系统主传动轴参数的设计范围

在ADAMS中建立刮板机主传动轴(3)的物理模型，导入到MATLAB/SIMULINK与大功率永磁电机(1)建立联合仿真实验平台，进行机电耦合联合仿真实验，若得到分岔临界值邻域内系统相图与理论分析结果一致，则综合输出刮板机轴系参数设计范围，否则调整分岔参数的临界值，直至联合仿真结果与理论结果一致；

S6：设计结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于机电耦合特性的永磁直驱式传动轴参数设计方法，其特征在于，所述步骤S1中动力学模型为：

式中：J₁、J₂分别表示大功率永磁电机(1)输出轴转动惯量与刮板机机头滚筒(5)转动惯量；K、C分别表示刮板机主传动轴(3)扭转刚度与阻尼系数；θ₁、θ₂分别表示大功率永磁电机(1)转角及刮板机机头滚筒(5)转角；i_a、i_b、i_c分别表示大功率永磁电机(1)三相定子电流；u_a、u_b、u_c分别表示大功率永磁电机(1)三相定子输入电压；T_l为刮板机机头滚筒(5)负载转矩；L_a、L_b、L_C表示大功率永磁电机(1)三相定子电感；H表示大功率永磁电机(1)三相定子互感；R_a、R_b、R_c表示大功率永磁电机(1)三相定子电阻，ψ_f表示大功率永磁电机转子磁链。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于机电耦合特性的永磁直驱式传动轴参数设计方法，其特征在于，所述步骤S2中系统动力学模型转换为状态方程的形式为：

令L_a＝L_b＝L_C＝L，R_a＝R_b＝R_c＝R；

式中：

式中，

4.根据权利要求3所述的一种基于机电耦合特性的永磁直驱式传动轴参数设计方法，其特征在于，所述步骤S3中稳定流形参量与中心流形参量的关系式为：

式中，y₁和y₂表示中心流形参量，与系统Jacobian矩阵的一对纯虚根特征值对应；y₃和y₄表示稳定流形参量，与系统Jacobian矩阵的负实根特征值对应。

5.根据权利要求4所述的一种基于机电耦合特性的永磁直驱式传动轴参数设计方法，其特征在于，所述步骤S5中联合仿真实验平台包括输入电压幅值单元(12)、输入电压相位单元(13)、输入电压频率单元(14)、三相电压发生器模块(6)、坐标正变换模块(7)、大功率永磁电机模块(8)、坐标反变换模块(9)、刮板机主传动轴子模型(10)、系统相图模块(11)和转矩变换模块(15)；所述三相电压发生器模块(6)输出端与坐标正变换模块(7)输入端连接，所述坐标正变换模块(7)输出端分别与大功率永磁电机模块(8)和坐标反变换模块(9)输入端连接；所述大功率永磁电机模块(8)输出端通过交轴电流和直轴电流与坐标反变换模块(9)输入端连接，并通过转矩变换模块(15)与刮板机主传动轴子模型(10)输入端连接，所述刮板机主传动轴子模型(10)输出端分别与坐标正变换模块(7)、大功率永磁电机模块(8)和系统相图模块(11)输入端连接，最终刮板机主传动轴子模型(10)输出大功率永磁电机转速与刮板机主传动轴转速传送至系统相图模块(11)；其中三相电压发生器(6)模块输入端分别接输入电压幅值单元(12)，输入电压相位单元(13)，输入电压频率单元(14)输出端，三相电压发生器模块(6)输出端输出三相交流电用于驱动大功率永磁电机模块(8)；

其中坐标正变换模块(7)用于将三相交流电转换为两相旋转坐标系上电机交轴与直轴电压；

其中大功率永磁电机模块(8)为大功率永磁电机(1)在两相旋转坐标系上的模型；

其中坐标反变换模块(9)用于实现对两相旋转坐标系上电机交轴与直轴电压及电流到三相静止坐标系上电机三相电压及电流的转换；

其中转矩变换模块(15)用于实现大功率永磁电机模块(8)交轴电流至其输出转矩的映射；

其中刮板机主动轴子模型(10)为在ADAMS中建立的刮板机主传动轴(3)物理模型的转换模块，输入为大功率永磁电机模块(8)的输出转矩，输出为大功率永磁电机模块(8)输出转速及转角、刮板机主传动轴子模型(10)输出转速及转角；

其中系统相图模块(11)用于接收刮板机主传动轴子模型(10)输出的大功率永磁电机输出转速与刮板机主传动轴输出转速，并显示出大功率永磁电机模块(8)输出转速与刮板机主动轴子模型(10)输出转速的关系。