[发明专利]一种基于球面规划的永磁球形电动机定子绕组通电方法

摘要

本发明属于永磁球形电动机电流控制的技术领域，涉及一种基于球面规划的永磁球形电动机定子绕组通电方法，首先提出了针对3层54个定子绕组的永磁球形电动机的静态转矩模型，然后，根据定子绕组的分布对球面区域进行了规划，划分出72个球面子区域，用以对检测出来的转子位置状态进行归类。对各个子区域中的定子绕组进行标号，设计出了不同状态下定子绕组的通电规则，在各种状态下，54个定子绕组都有18个同时通电。根据永磁球形电动机动力学控制中的期望转矩和永磁球形电动机的静态转矩模型，求解出了18个定子绕组所通的电流值。应用本发明的通电策略，便于对永磁球形电动机进行分辨率较高的连续控制，能够实现各种复杂的连续轨迹跟踪。

主权项

1.一种基于球面规划的永磁球形电动机定子绕组通电方法，适用于下述类型的电动机：定子的3层绕组每层分别沿定子球面上北纬22.5°纬线圈、赤道和南纬22.5°纬线圈分布，每层18个绕组，每层相邻绕组之间相隔20°经度，定子线圈没有安装铁心，其特征在于，按照如下步骤实现定子绕组通电：第一步：根据永磁球形电动机动力学模型，设计永磁球形电动机的动力学控制方案，得到动力学控制系统中的期望转矩表达式，继而得到在控制过程中每个时刻的期望转矩值；第二步：用有限元方法或解析法得到永磁球形电动机的静态转矩模型；第三步：定子绕组的编号和四类子区域的划分：设定子球面和转子球面均为单位球面，定义附着在定子和转子上的球坐标系分别为定球坐标系和动球坐标系，把某点在上述两个坐标系中的球面坐标值记为转子表面上经纬度均为零的点设为点S，根据点S位置的不同，确定相应的通电绕组及其所通的电流，对于定子球面上北纬22.5°和南纬22.5°纬线圈之间的环形球面区域进行球面规划，划分为I、II、III、IV四类共72个子区域，每个子区域都是每个子区域都是类似于球面三角形的区域，且在平面展开图中，各个子区域都是相似三角形，每个子区域的三个角上分别有一个定子绕组，称子区域三个角上的三个定子绕组位于该子区域内，每类子区域沿转子经度角编号，每类各有18个子区域，每个子区域的解析表达式如下，定子球面上I类子区域内的点满足如下关系：定子球面上II类子区域内的点满足如下关系：定子球面上III类子区域内的点满足如下关系：定子球面上IV类子区域内的点满足如下关系：第四步：对各个子区域内的定子绕组进行标号。将球面子区域的平面展开图看作相似三角形，则每个相似三角形的相似角处的定子绕组具有相同的区域内标号(1，2，3)，定义在定子球面上，经度角相差180度，纬度角为相反数的一对绕组成为球面对角绕组，成球面对角的一对绕组具有同样的区域内标号。第五步：对转子的位置进行实时检测，根据点S的实时位置确定通电绕组所在子区域，确定该子区域和与该子区域在定子球面上分别沿正经度方向相距60度和120度的3个子区域内的9个绕组，以及这9个绕组的球面对角绕组，共18个绕组为此时刻拟通电的定子绕组。第六步：根据已确定的通电定子绕组中特定的9个绕组与点S的相对位置，以及由第二步得到的静态转矩模型，得出3×9的静态转矩矩阵，点S对应静态转矩模型中的原点，在静态转矩模型中，经度角的取值范围为[0，360)；取上述9个绕组和点S在定球坐标系中的经纬度作差，经度角之差如果小于零，则使经度角之差加上360，然后，将上述9个经纬度差作为静态转矩模型中的坐标位置点调用其中的静态转矩值，上述9个绕组对应在静态转矩模型的9个位置点处的三个自由度的静态转矩值可以组成静态转矩矩阵T_n∈R^3×9，静态转矩矩阵中的9个列向量是按照上述9个绕组所在子区域及其在子区域中的标号顺序进行排列的；第七步：将第六步得到的静态转矩矩阵T_n∈R^3×9左乘初定电流向量I∈R^9×1等于第一步得到的期望转矩向量T∈R^3×1，通过求解静态转矩矩阵的伪逆矩阵T_n⁺∈R^9×3，求得初定电流向量I∈R^9×1；第八步：对由第七步求得的初定电流向量I进行分配：将I/2中的9个分量分别分配给第六步中确定的9个绕组，将-I/2中的9个分量分别分配给前述与9个绕组分别相对应的球面对角绕组。