(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211070576.6 (22)申请日 2022.09.02 (71)申请人 南京工程学院 地址 211167 江苏省南京市江宁科 学园弘 景大道1号 (72)发明人 朱志莹　綦光鑫　王铭炜　孟凡浩　 焦金帅　安聪　 (74)专利代理 机构 南京正联知识产权代理有限 公司 32243 专利代理师 卢华强 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理 建模方法 (57)摘要 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2 0％ 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。 权利要求书4页 说明书10页 附图8页 CN 115408913 A 2022.11.29 CN 115408913 A 1.一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法， 其特征在于： 所述建模方法包 括如下步骤： 步骤1： 由有限元分析获得球面磁悬浮飞轮电机的磁场分布， 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， 在转子运动一周期内， 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； 步骤3： 利用步骤2建立考虑扩散磁通的球面磁悬浮飞轮电机等效磁路， 通过分析计算 转子偏心对转子齿和悬浮极极靴齿之间的气隙长度变化， 得到考虑转子偏心的气隙磁导， 并且考虑到磁路饱和需要对气隙主磁密进行修 正， 得到修 正后的气隙主磁密； 步骤4： 根据步骤2所得到的气隙磁导的等效磁路模型， 结合步骤3所得到的气隙长度和 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。 2.根据权利要求1所述一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法， 其特征在 于： 所述步骤2中， 转子运动的周期为3 0°。 3.根据权利要求2所述一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法， 其特征在 于： 转子运动一周期分为 ‑7.5°<θ <7.5°以及‑15°<θ <‑7.5°和7.5°<θ <15°两个部分。 4.根据权利要求1所述一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法， 其特征在 于： 所述步骤2 中， 经过磁场 分割法分割后的磁通管的形状分为矩形、 1/4实心圆柱体和1/4 空心圆柱体三种形状。 5.根据权利要求4所述一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法， 其特征在 于： 三种形状 磁通管的磁导计算公式分别为： 磁极下的矩形磁通管的磁导 为： 1/4实心圆柱体 磁通管的磁导： 1/4空心圆柱体 磁通管的磁导： 其中， μ0为真空磁导率， η为转子齿对应球形的弧长， R为转子齿对应球体的半径， h1为球 形转子齿的轴向高度， δav1为区域1平均气隙长度， β 为轴向转子齿球面的夹角， A1为区域1矩 形磁通管的平均截面积， V为1/4实心圆柱体磁通管体积， A2为1/4空心圆柱体磁通管的平均 截面积， δav2为区域2磁通平均长度， δav3为区域3磁通平均长度。 6.根据权利要求1所述一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法， 其特征在 于： 步骤3中考虑转子偏心对气隙磁导的影响， 转子在y轴负方向偏心b  mm后气隙长度关系 为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115408913 A 2进一步推导得： δ1≈ δ0+bsinθm 转子在x轴正方向偏移a  mm后气隙长度关系为： 进一步推导得： δ 1≈ δ0+acosθ m 转子在x轴正方向偏移a  mm， 同时在y轴负方向偏移b  mm后气隙长度关系为： 进一步推导得： δ1≈ δ0+a cosθm‑bsinθm 其中， δ0为转子未发生偏心时平均气隙长度， δ1为偏心后的定转子极间气隙长度， θm为 机械位置角， r为定 子所在球面半径。 7.根据权利要求1所述一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法， 其特征在 于： 所述步骤S3中气隙主磁密为： 气隙扩散磁密为： 结合有限元分析 结果， 设计气隙磁密矫 正公式为： 其中， N为悬浮绕组的线圈匝数， I0为永磁体提供的电流， Ic为悬浮绕组的控制电流； Bnl 为矫正后的气隙磁密； Bc为铁磁材料磁密趋向饱和的临界值； Bl为根据公式Bm、 Bq求得的气 隙磁密； k 为矫正系数。 8.根据权利要求7所述一种球面磁悬浮飞轮电机精确悬浮力机理建模方法， 其特征在 于： 所述步骤S4中当转子位置角 ‑7.5°<θ <7.5°时， 径向球面气隙磁阻为：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115408913 A 3