[发明专利]一种风力磁悬浮机舱悬浮涡流阻尼优化方法

权利要求书

1.一种风力磁悬浮机舱悬浮涡流阻尼优化方法，其特征是所述涡流阻尼用于抑制风力磁悬浮机舱悬浮波动，在偏航定子下侧设置圆盘状涡流铝板，与机舱旋转体上悬浮绕组，协同构成的涡流阻尼系统；所述涡流阻尼系统的核心是涡流阻尼力，产生于机舱旋转体悬浮绕组的轴向运动，在圆盘状涡流铝板上产生涡流，在悬浮磁场作用下产生，与机舱悬浮电流、悬浮气隙波动速度以及铝板厚度密切相关；通过机舱悬浮气隙波动指标和悬浮功耗指标结合优化权值，确定机舱铝板厚度优化的目标函数，进而获取优化的圆盘状涡流铝板厚度；所述机舱悬浮气隙波动来自高频风速所致机舱下压力变化，由机舱悬浮闭环刚度和额定风速下的机舱下压力计算；所述悬浮功耗主要来自悬浮绕组产生的铜耗，铜耗计算工况为额定风速和有效悬浮气隙下由悬浮电流的平方与悬浮绕组内阻的乘积获取。

2.根据权利要求1所述一种风力磁悬浮机舱悬浮涡流阻尼优化方法，其特征是设计步骤如下：

步骤1，构建风力磁悬浮机舱悬浮动态模型

a)采用电流微元法求取含圆盘状涡流铝板的涡流阻尼力F_z和轴向悬浮力F

其中：S_a为总悬浮绕组面积，h为机舱悬浮有效气隙，a为悬浮绕组半径，I为悬浮电流，N为悬浮绕组匝数，c为圆盘状涡流阻尼板厚度，σ为铝板电导率，μ₀为真空导磁率,v为机舱悬浮速度；

b)机舱悬浮运动方程为

其中：m为机舱旋转体总重量，f_d为轴向下压力干扰；

c)机舱悬浮变流器模型为

其中：S_a为绕组总面积，R_s为绕组内阻，U_dc母线电压，u为占空比，

d)基于平衡点(h₀,I₀)和F(h₀,I₀)＝mg将式(3)和式(4)线性化为

其中：

步骤2，机舱悬浮控制器设计

a)基于机舱悬浮机械能构建Lyapunov函数为

其中，e＝h_ref-h，k_e、k_d和k_p分别为正值控制系数，h_max为机舱悬浮气隙最大值；

b)对式(6)微分，可得能量函数变化率为

设置可实现机舱悬浮力可表示为：

机舱悬浮电流参考为

其中：步骤3，机舱悬浮电流跟踪控制器设计

a)对式(5)采用反电动势补偿及电流PI跟踪相结合控制策略，实现式(9)i_ref参考电流跟踪，引入虚拟变量并代入(5)得悬浮电流控制方程为

b)设置悬浮电流PI跟踪控制器为其中k_PI为比例增益，c₀为积分系数，机舱悬浮电流跟踪控制闭环传递函数为

c)设置k_PI＝2ξω_nL₀-R_s，其中，阻尼ξ＝0.3，ω_n＝500wad/s，机舱悬浮变流器输出为

其中：e_i＝i_ref-i；

步骤3，圆盘状涡流铝板厚度优化方法

a)机舱悬浮气隙波动指标由悬浮刚度和额定风速下的机舱下压力计算，额定风速的机舱悬浮气隙波动为

其中：A为额定风速幅值，w为额定风速角弧度；

采用频域法，将s＝jω代入式(13)，机舱悬浮气隙波动幅值为

其中ω为角弧度；

b)鉴于铁耗相对较小，性能指标悬浮功耗设置为有效悬浮气隙下的铜耗为

c)综合考虑机舱额定风速下悬浮气隙波动以及悬浮功耗，同时考虑悬浮气隙波动和悬浮功耗数量级上的差异，结合优化权值ρ₁(0.6)和ρ₂(0.4)，机舱铝板厚度优化的目标函数为

其中：δ_B＝h_max；0＜c≤c_max，0＜I≤I_max，

d)采用拉格朗日极值法，对式(16)求极值，获取优化的圆盘状涡流铝板厚度。