一种混合磁轴承双绕组开关磁阻电机及控制方法技术

本发明专利技术公布了一种混合磁轴承双绕组开关磁阻电机及控制方法，所述电机由一个开关磁阻电机和两个径向磁轴承构成；磁轴承定子为4个E型结构组成，且每个E结构仅中间齿上绕有1个悬浮绕组；开关磁阻电机每个齿上绕有1个偏置绕组和1个磁阻电机绕组；偏置绕组横跨两磁轴承定子和开关磁阻电机定子，而磁阻电机绕组仅绕组在磁阻电机定子上，并且两绕组串联一起构成1个转矩绕组串，可形成3相转矩绕组；转矩控制与传统开关磁阻电机控制方式相同；每个磁轴承的两个方向悬浮力仅与3相转矩绕组电流和两个悬浮电流有关，转矩与悬浮力可解耦控制。本发明专利技术电机及控制方法集成度高，控制变量少，悬浮控制简单，悬浮功率变换器成本低，且转矩和悬浮力可解耦设计。

【技术实现步骤摘要】
一种混合磁轴承双绕组开关磁阻电机及控制方法
本专利技术涉及一种混合磁轴承双绕组开关磁阻电机及控制方法，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机及其控制

技术介绍
磁悬浮开关磁阻电机，不仅具有磁轴承无摩擦、无润滑等优点，还继承了开关磁阻电机的高速适应性和满足苛刻工作环境等特点，在航空航天、飞轮储能和军事等场合具有独特优势。磁悬浮开关磁阻电机通常由两种实现形式，一是无轴承电机结构，二是磁轴承电机结构。无轴承开关磁阻电机是将磁轴承的功能与电机集成在一起，同时实现旋转和径向悬浮，这势必会导致电机的转矩性能打一个折扣，无法充分发挥。而磁轴承开关磁阻电机是由磁轴承和开关磁阻电机共同组合成一个磁悬浮系统，悬浮控制和旋转控制独立，集成度不高。因此，磁轴承系统与开关磁阻电机系统间的有效集成，不仅可提高磁悬浮系统的集成度，还有助于提升机电能量转换效率。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的不足，提出一种混合磁轴承双绕组开关磁阻电机及控制方法。所述电机是一种悬浮控制简单、悬浮系统成本低、且偏置绕组与磁阻电机绕组采用串联共励式的四自由度磁悬浮开关磁阻电机；所述控制方法可独立控制转矩绕组电流和悬浮绕组电流，旋转和悬浮系统间相互解耦，彼此影响弱；四自由度悬浮控制类似磁悬浮轴承，采用恒导通控制策略，并且仅需控制四个方向悬浮绕组电流，即可产生所需的四个方向悬浮力，控制变量少。为了解决上述问题，本专利技术采用的技术方案为：一种混合磁轴承双绕组开关磁阻电机，所述混合磁轴承双绕组开关磁阻电机包括径向磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和径向磁轴承Ⅱ；所述径向磁轴承Ⅰ和径向磁轴承Ⅱ分别布置在开关磁阻电机的两侧；所述径向磁轴承Ⅰ由磁轴承定子Ⅰ、磁轴承转子Ⅰ、偏置绕组和悬浮绕组Ⅰ构成；所述径向磁轴承Ⅱ由磁轴承定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅱ、偏置绕组和悬浮绕组Ⅱ构成；所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子、偏置绕组和磁阻电机绕组构成；所述磁轴承转子Ⅰ布置在磁轴承定子Ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，磁轴承转子Ⅱ布置在磁轴承定子Ⅱ内；所述磁轴承转子Ⅰ、磁阻电机转子和磁轴承转子Ⅱ套在转轴上；所述磁轴承定子Ⅰ、磁阻电机定子和磁轴承定子Ⅱ串联布置，且之间均存在间隙；所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子的齿数12，磁阻电机转子的齿数为8，且所述开关磁阻电机为三相工作制；所述磁轴承定子Ⅰ由4个E型结构Ⅰ构成，4个E型结构Ⅰ均匀分布，每个E型结构Ⅰ之间相差90°；每个E型结构Ⅰ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅰ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且二者的齿宽相等；所述磁轴承转子Ⅰ为圆柱结构；所述磁轴承定子Ⅱ由4个E型结构Ⅱ构成，4个E型结构Ⅱ均匀分布，每个E型结构Ⅱ之间相差90°；每个E型结构Ⅱ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅱ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且二者的齿宽相等；所述磁轴承转子Ⅱ为圆柱结构；所述磁阻电机定子的每个齿上绕有1个偏置绕组和1个磁阻电机绕组；所述磁轴承定子Ⅰ的每个定子齿上绕有1个偏置绕组，且每个E型结构Ⅰ的中间定子齿上还绕有1个悬浮绕组Ⅰ；所述磁轴承定子Ⅱ的每个定子齿上绕有1个偏置绕组，且每个E型结构Ⅱ的中间定子齿上还绕有1个悬浮绕组Ⅱ；所述偏置绕组的缠绕方式为：每个偏置绕组横跨处于同一圆周位置上的磁轴承定子Ⅰ的1个定子齿、1个磁阻电机定子齿和磁轴承定子Ⅱ的1个定子齿，并缠绕在三者之上，共12个；每个偏置绕组与处于同一圆周位置上的磁阻电机定子齿上的磁阻电机绕组串联，构成1个转矩绕组串，共12个；每四个相隔90°的转矩绕组串串联，构成一相转矩绕组，即可形成三相转矩绕组；所述磁轴承定子Ⅰ的悬浮绕组Ⅰ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅰ的2个悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个水平方向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向E型结构Ⅰ的2个悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个竖直方向悬浮绕组Ⅰ；所述磁轴承定子Ⅱ的悬浮绕组Ⅱ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅱ的2个悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个水平方向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向E型结构Ⅱ的2个悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个竖直方向悬浮绕组Ⅱ；所述混合磁轴承双绕组开关磁阻电机包括一个开关磁阻磁阻电机和两个径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个径向磁轴承产生4个径向悬浮力，以实现转子四个方向的悬浮运行；所述电机绕组由3相转矩绕组和4个悬浮绕组构成，其中独立控制3相转矩绕组电流，以调节转矩，并产生偏置磁通；独立控制4个悬浮绕组电流，实现四自由度悬浮调节；所述混合磁轴承双绕组开关磁阻电机的控制方法，其具体步骤如下：步骤A，获取给定转矩绕组电流、开通角和关断角；具体步骤如下：步骤A-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；步骤A-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω*相减，得到转速差Δω；步骤A-3，当ω≤ω0时，ω0为临界速度设定值，其由电机实际工况确定；所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得转矩绕组电流参考值im*；开通角θon和关断角θoff保持不变，θon和θoff的初值都由电机结构形式决定；步骤A-4，当ω>ω0时，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得开通角θon和关断角θoff，转矩绕组电流不控制；步骤B，获取径向磁轴承Ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：步骤B-1，获取径向转子Ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α1和β1，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；步骤B-2，将实时位移信号α1和β1分别与给定的参考位移信号α1*和β1*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα1和Δβ1，将所述实时位移信号差Δα1和Δβ1经过比例积分微分控制器，得到径向磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力步骤C，获取径向磁轴承Ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：步骤C-1，获取径向转子Ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α2和β2；步骤C-2，将实时位移信号α2和β2分别与给定的参考位移信号α2*和β2*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα2和Δβ2，将所述实时位移信号差Δα2和Δβ2经过比例积分微分控制器，得到径向磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力步骤D，调节悬浮力，具体步骤如下：步骤D-1，采集3相实时的转矩绕组电流，根据所述悬浮力和以及计算公式和解算得到径向磁轴承Ⅰ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值其中，kf1、kf2为悬浮力系数，μ0为真空磁导率，l为径向磁轴承的轴向长度，r为磁轴承转子的半径，αs为径向磁轴承E型结构定子的极弧角，δ为径向磁轴承的单边气隙长度，Nb、Ns分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数，i1、i2和i3分别为三相转矩绕组电流；步骤D-2，根据所述悬浮力和以及计算公式和解算得到径向磁轴承Ⅱ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值步骤D-3，利用电流斩波控制方法，用径向磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮绕组实际电流is1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用径向磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮绕组实际电流is3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向悬浮绕组电流参考值步骤E，调节转矩；具体步骤如下：步骤E-1，当ω≤ω0时，利用电流斩波控制方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合磁轴承双绕组开关磁阻电机，所述混合磁轴承双绕组开关磁阻电机包括径向磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和径向磁轴承Ⅱ；所述径向磁轴承Ⅰ和径向磁轴承Ⅱ分别布置在开关磁阻电机的两侧；所述径向磁轴承Ⅰ由磁轴承定子Ⅰ、磁轴承转子Ⅰ、偏置绕组和悬浮绕组Ⅰ构成；所述径向磁轴承Ⅱ由磁轴承定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅱ、偏置绕组和悬浮绕组Ⅱ构成；所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子、偏置绕组和磁阻电机绕组构成；其特征在于，所述磁轴承转子Ⅰ布置在磁轴承定子Ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，磁轴承转子Ⅱ布置在磁轴承定子Ⅱ内；所述磁轴承转子Ⅰ、磁阻电机转子和磁轴承转子Ⅱ套在转轴上；所述磁轴承定子Ⅰ、磁阻电机定子和磁轴承定子Ⅱ串联布置，且之间均存在间隙；所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子的齿数12，磁阻电机转子的齿数为8，且所述开关磁阻电机为三相工作制；所述磁轴承定子Ⅰ由4个E型结构Ⅰ构成，4个E型结构Ⅰ均匀分布，每个E型结构Ⅰ之间相差90°；每个E型结构Ⅰ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅰ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且二者的齿宽相等；所述磁轴承转子Ⅰ为圆柱结构；所述磁轴承定子Ⅱ由4个E型结构Ⅱ构成，4个E型结构Ⅱ均匀分布，每个E型结构Ⅱ之间相差90°；每个E型结构Ⅱ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅱ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且二者的齿宽相等；所述磁轴承转子Ⅱ为圆柱结构；所述磁阻电机定子的每个齿上绕有1个偏置绕组和1个磁阻电机绕组；所述磁轴承定子Ⅰ的每个定子齿上绕有1个偏置绕组，且每个E型结构Ⅰ的中间定子齿上还绕有1个悬浮绕组Ⅰ；所述磁轴承定子Ⅱ的每个定子齿上绕有1个偏置绕组，且每个E型结构Ⅱ的中间定子齿上还绕有1个悬浮绕组Ⅱ；所述偏置绕组的缠绕方式为：每个偏置绕组横跨处于同一圆周位置上的磁轴承定子Ⅰ的1个定子齿、1个磁阻电机定子齿和磁轴承定子Ⅱ的1个定子齿，并缠绕在三者之上，共12个；每个偏置绕组与处于同一圆周位置上的磁阻电机定子齿上的磁阻电机绕组串联，构成1个转矩绕组串，共12个；每四个相隔90°的转矩绕组串串联，构成一相转矩绕组，形成三相转矩绕组；所述磁轴承定子Ⅰ的悬浮绕组Ⅰ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅰ的2个悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个水平方向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向E型结构Ⅰ的2个悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个竖直方向悬浮绕组Ⅰ；所述磁轴承定子Ⅱ的悬浮绕组Ⅱ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅱ的2个悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个水平方向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向E型结构Ⅱ的2个悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个竖直方向悬浮绕组Ⅱ。...

【技术特征摘要】
1.一种混合磁轴承双绕组开关磁阻电机，所述混合磁轴承双绕组开关磁阻电机包括径向磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和径向磁轴承Ⅱ；所述径向磁轴承Ⅰ和径向磁轴承Ⅱ分别布置在开关磁阻电机的两侧；所述径向磁轴承Ⅰ由磁轴承定子Ⅰ、磁轴承转子Ⅰ、偏置绕组和悬浮绕组Ⅰ构成；所述径向磁轴承Ⅱ由磁轴承定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅱ、偏置绕组和悬浮绕组Ⅱ构成；所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子、偏置绕组和磁阻电机绕组构成；其特征在于，所述磁轴承转子Ⅰ布置在磁轴承定子Ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，磁轴承转子Ⅱ布置在磁轴承定子Ⅱ内；所述磁轴承转子Ⅰ、磁阻电机转子和磁轴承转子Ⅱ套在转轴上；所述磁轴承定子Ⅰ、磁阻电机定子和磁轴承定子Ⅱ串联布置，且之间均存在间隙；所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子的齿数12，磁阻电机转子的齿数为8，且所述开关磁阻电机为三相工作制；所述磁轴承定子Ⅰ由4个E型结构Ⅰ构成，4个E型结构Ⅰ均匀分布，每个E型结构Ⅰ之间相差90°；每个E型结构Ⅰ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅰ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且二者的齿宽相等；所述磁轴承转子Ⅰ为圆柱结构；所述磁轴承定子Ⅱ由4个E型结构Ⅱ构成，4个E型结构Ⅱ均匀分布，每个E型结构Ⅱ之间相差90°；每个E型结构Ⅱ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅱ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且二者的齿宽相等；所述磁轴承转子Ⅱ为圆柱结构；所述磁阻电机定子的每个齿上绕有1个偏置绕组和1个磁阻电机绕组；所述磁轴承定子Ⅰ的每个定子齿上绕有1个偏置绕组，且每个E型结构Ⅰ的中间定子齿上还绕有1个悬浮绕组Ⅰ；所述磁轴承定子Ⅱ的每个定子齿上绕有1个偏置绕组，且每个E型结构Ⅱ的中间定子齿上还绕有1个悬浮绕组Ⅱ；所述偏置绕组的缠绕方式为：每个偏置绕组横跨处于同一圆周位置上的磁轴承定子Ⅰ的1个定子齿、1个磁阻电机定子齿和磁轴承定子Ⅱ的1个定子齿，并缠绕在三者之上，共12个；每个偏置绕组与处于同一圆周位置上的磁阻电机定子齿上的磁阻电机绕组串联，构成1个转矩绕组串，共12个；每四个相隔90°的转矩绕组串串联，构成一相转矩绕组，形成三相转矩绕组；所述磁轴承定子Ⅰ的悬浮绕组Ⅰ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅰ的2个悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个水平方向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向E型结构Ⅰ的2个悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个竖直方向悬浮绕组Ⅰ；所述磁轴承定子Ⅱ的悬浮绕组Ⅱ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅱ的2个悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个水平方向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向E型结构Ⅱ的2个悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个竖直方向悬浮绕组Ⅱ。2.根据权利1所述的一种混合磁轴承双绕组开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，所述混合磁轴承双绕组开关磁阻电机包括一个开关磁阻磁阻电机和两个径向磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个径向磁轴承产生4个径向悬浮力，以实现转子四个方向的悬浮运行；所述电机绕组由3相转矩绕组和4个悬浮绕组构成，其中独立控制3相转矩绕组电流，以调节转矩，并产生偏置磁通；独立控制4个悬浮绕组电流，实现四自由度悬浮调节；包括如下步骤：步骤A，获取给定转矩绕组电流、开通角和关断角；具体步骤如下：步骤A-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；步骤A-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω*相减，得到转速差Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘泽远，蔡骏，杨艳，刘程子，曹鑫，邓智泉，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32