[发明专利]一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法

说明书

本发明是一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法，包括：步骤1：基于等效磁路法获取球面磁悬浮飞轮电机悬浮极径向和轴向的等效磁路；步骤2：利用有限元分析球面磁悬浮飞轮电机悬浮极扩散磁通；步骤3：利用建立考虑等效磁路，得到考虑转子偏心的气隙磁导，对气隙主磁密进行修正，得到修正后的气隙主磁密；步骤4：根据气隙磁导的等效磁路模型，结合气隙长度和气隙主磁密，分析不同转子位置角范围情况，计算各部分气隙磁导，建立球面磁悬浮飞轮电机悬浮力模型。该建模方法的建模误差从20％减小到了5％，为精确表征转子偏心、磁路饱和与扩散漏磁下电机动态特性提供了有效方法、模型，为球面磁悬浮飞轮电机分析设计和运行控制奠定基础。

技术领域

本发明涉及磁悬浮电机的技术领域，具体的说是涉及一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法。

背景技术

飞轮储能系统(Flywheel Energy Storage System,FESS)因其功率密度高、循环寿命长、充放电快、清洁环保等优势备受关注，在不间断电源、电动车辆、航空航天等领域具有广阔应用前景。磁悬浮电机结合磁轴承悬浮和电机旋转双重功能，具有无磨损、无润滑、可大功率和超高速运行等优势，引入FESS形成磁悬浮飞轮电机(Bearingless FlywheelMachine,BFM)可减小系统体积与损耗，提高临界转速与功率密度，是FESS悬浮支承与能量转换的理想选择。

BFM机理模型是其优化设计、性能分析、效率评估的前提，也为高性能控制奠定基础，受到国内外学者高度关注。20世纪90年代，日本学者Chiba A等研究构建了12/8双绕组结构BFM数学模型，国内南京航空航天大学邓智泉等提出基于直线磁路和改进椭圆磁路求取气隙磁导建立数学模型，江苏大学孙玉坤等对其进行全角度拓展，北京航空航天大学葛宝明等在分析其电磁特性基础上构建悬浮力和转矩模型。

纵观现有文献，多是基于虚功原理进行模型推导，通过求得电感矩阵，进而利用虚位移法得到悬浮力模型，该方法一定层度上考虑了偏心的影响，但忽略了磁路饱和的影响。有限元分析法可以考虑磁饱和影响，但该方法计算速度较慢，难以在实际控制系统中应用。基于麦克斯韦张量法可兼顾磁饱和特性，快速简洁，但需要人工经验修正，模型的准确性，尤其是在转子偏心、磁路饱和与扩散磁通下的准确性有待提高。

发明内容

针对对现有机理模型在转子偏心、磁路饱和与扩散磁通下的模型失配问题，本发明提供了一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法，在分析球面磁悬浮飞轮电机工作原理和磁通分布特性基础上，本发明采用磁场分割法求解电机不同扩散磁通区域磁导，针对飞轮电机转子偏心与磁路饱和固有特性，结合麦克斯韦张量法和等效磁路法构建电机精确化悬浮力模型，有限元仿真对比分析结果表明所提模型误差从20％降低到5％，验证了所建模型更加精确描述了转子偏心、磁路饱和和扩散磁通下的动态性能。

为了达到上述目，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法，包括以下步骤：

S1、基于等效磁路法获取球面磁悬浮飞轮电机悬浮极径向和轴向的等效磁路；

S2、利用有限元分析球面磁悬浮飞轮电机悬浮极扩散磁通。本发明中，在转子运动一周期30°内，基于球面磁场分布规律和磁通路径，将转子位置角范围分为2部分，采用磁场分割法将整个气隙磁场划分为若干磁通管道。分别计算各磁通管道的磁导，再合成各磁通管道计算得到整个气隙磁导。转子位置角-7.5°θ7.5°范围上分析，由于磁极对称性，扩散磁通关于磁极两侧对称，对其中一侧进行磁场分割，分成区域1磁极端面部分即极间主磁通的磁通管道，相应的磁导为G_ax1；区域2为1/4实心圆柱体，是扩散磁通的磁通管道，相应的磁导为G_s1；区域3为1/4空心圆柱体，是扩散磁通的磁通管道，相应的磁导为G_s2。其他悬浮极扩散磁通分析类似，由此得到考虑扩散磁通的球面磁悬浮飞轮电机等效磁路；