一种两自由度双绕组混合磁轴承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两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机及控制方法，属于磁悬浮电机及其控制领域。该电机包括1个12/8极开关磁阻电机和1个12极磁轴承，磁轴承的4个定子上均绕有1个悬浮绕组和1个偏置绕组；所有偏置绕组连接后再与磁阻电机的A相绕组串联，构成A相复合励磁绕组，采用恒导通的励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，同时在磁阻电机内产生转矩；B和C相采用轮流励磁的方式，A相则在正负半周期内采用不对称励磁，以产生有效转矩；通过控制使A相不仅提供偏置磁通，而且还产生与另两相相等的平均转矩，进而使三相输出的平均输出转矩对称。本发明专利技术电机及控制方法磁轴承与磁阻电机隔离，磁路间无耦合，转矩与悬浮力解耦，功率系统成本低且控制简单。

【技术实现步骤摘要】
一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机及控制方法
本专利技术涉及一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法，属于磁悬浮开关磁阻电机及其控制

技术介绍
无轴承开关磁阻电机是20世纪90年代发展起来的一种新型磁悬浮电机。无轴承开关磁阻电机因集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可有效解决高速运行时轴承摩擦带来的损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。随着研究的不断深入，人们逐渐认识到，能否解决转矩和悬浮力有效输出区域间的制约，悬浮与旋转两功能是否能解耦控制、以及高速时悬浮控制精度好坏，对BSRM高速性能是否能得到充分发挥起着至关重要的作用。另外，传统无轴承开关磁阻电机的功率变换器系统复杂，对双绕组结构而言，需要主绕组和悬浮绕组两套功率变换器，而对单绕组结构而言，每个绕组需要独立控制，即每个绕组均需要一个功率变换器，因此两种结构的功率变换器成本均较高，而且精确控制也更为困难，这些问题的存在严重限制了无轴承开关磁阻电机的应用。为此，本专利技术提出了一种结构简单、功率变换器成本低、转矩与悬浮力可解耦控制的两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机，另外，由于磁轴承与开关磁阻电机相互隔离、二者仅存在电关系，磁路间无耦合，冗余性更强。磁轴承的偏置绕组与开关磁阻电机的一相绕组串联，构成一相转矩绕组，采用恒励磁导通方式，在磁轴承产生悬浮所需的偏置磁通外，还可通过有效控制使其在开关磁阻电机内产生一个有效输出转矩，该转矩的平均值与另两相的输出平均转矩相等，有利于改善三相输出转矩特性。
技术实现思路
本专利技术目的是提出一种结构简单、功率变换器成本低、转矩与悬浮力可解耦控制的两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案：一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机，包括1个开关磁阻电机和1个磁轴承，所述开关磁阻电机与磁轴承串联布置；所述开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈所述磁轴承，包括磁轴承定子、磁轴承转子、偏置线圈和悬浮线圈；所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子分别套在转轴上；所述磁阻电机定子为凸极结构，齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为12，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°，所述磁轴承转子为圆柱结构；其特征在于，每个磁阻电机定子齿上绕有1个磁阻电机线圈，相隔90°的4个磁阻电机线圈串联，构成1个转矩绕组，共3个，分别为A转矩绕组、B相转矩绕组和C相转矩绕组，其中，B相转矩绕组、C相转矩绕组与A相转矩绕组在空间上分别相差30°和-30°；位于水平方向和竖直方向的4个相差90°的磁轴承定子齿上分别绕有1个偏置线圈和1个悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个悬浮线圈；位于水平方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个水平方向悬浮绕组，位于竖直方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个竖直方向悬浮绕组；所述4个相差90°的偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；所述1个偏置绕组与A相转矩绕组串联，构成A相复合励磁绕组。所述的一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，A相复合励磁绕组采用恒导通励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，在开关磁阻电机内产生转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；通过控制两个悬浮绕组中的电流大小和方向，以调节悬浮力；每一个磁阻电机转子周期，控制A相转矩绕组在正转矩半周期内的电流值为负转矩半周期内电流值的两倍，并通过转矩绕组电流与平均转矩和开关角的关系，使三相转矩绕组输出的平均转矩相等；转矩控制与悬浮力控制相互独立，且转矩与悬浮力可实现解耦控制；包括如下步骤：步骤A，采集磁阻电机转子实时位置角θ，判别各相励磁状态；步骤A-1，定义θ＝0的磁阻电机转子位置，与A相复合励磁绕组所在的磁阻电机定子齿与磁阻电机转子对齐的位置，相差22.5°；A相复合励磁绕组恒导通励磁，一个转子周期角为45°，且每个悬浮力控制区间为[0，45°]，令θ＝0时A相复合励磁绕组开始励磁导通；步骤A-2，当θ＝θonb时，开通B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相开始励磁导通，当θ＝θoffb时，关断B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相结束励磁；其中，θonb和θoffb分别B相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，二者均与转速相关，θonb的取值范围为[7.5°，15°]，B相转矩绕组的导通角为(θoffb-θonb)，其取值范围为[15°，20°]；步骤A-3，当θ＝θonc时，开通C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相开始励磁导通，当θ＝θoffc时，关断C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相结束励磁；其中，θonc和θoffc分别C相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，θonc＝θonb+15°，θoffc＝θoffb+15°；步骤A-4，计算B、C相转矩绕组的有效输出转矩角度θc，计算公式为：θc＝θoffb+θonb-15°或θc＝θoffc+θonc-45°；步骤B，获取x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力具体步骤如下：步骤B-1，获取转子在x轴和y轴方向的实时位移信号α和β，其中，x轴与所述水平方向磁轴承定子齿中心线重合，y轴与所述竖直方向磁轴承定子齿中心线重合，x轴与y轴在空间上相差90°；步骤B-2，将实时位移信号α和β分别与给定的参考位移信号α*和β*相减，分别得到x方向和y方向的实时位移信号差Δα和Δβ，将所述实时位移信号差Δα和Δβ经过比例积分微分控制器，得到所述相x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力步骤C，调节转矩，具体步骤如下：步骤C-1，采集磁阻电机转子实时转速，计算得到磁阻电机转子角速度ω；步骤C-2，磁阻电机转子角速度ω与设定的参考角速度ω*相减，得到转速差Δω；步骤C-3，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*；步骤C-4，计算偏置绕组电流参考值根据所述电流参考值im*和步骤A-4中的有效输出转矩角度θc，以及计算公式可解算出偏置绕组电流参考值其中，τr为一个磁阻电机转子极距角，τr＝45°；步骤C-5，利用电流斩波控制方法，让A相复合励磁绕组的实际电流ia跟踪其偏置绕组电流参考值让B相转矩绕组的实际电流ib跟踪im*，让C相转矩绕组的实际电流ic跟踪im*进而实时调节三相转矩绕组电流，进而达到调节转矩的目的；步骤D，调节悬浮力，具体步骤如下：步骤D-1，调节θ∈[0，22.5°]区间内的悬浮力，此时A相复合励磁绕组输出正转矩，与B、C相转矩绕组输出的转矩方向相同；根据所述悬浮力和偏置绕组电流参考值以及电流计算公式和可解算得到x轴方向悬浮绕组电流的参考值和y轴方向悬浮绕组电流的参考值其中，kf为悬浮力系数，式中，μ0为真空磁导率，l为磁轴承的轴向长度，r为磁轴承转子的半径，αs为径向磁轴承定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度；步骤D-2，调节θ∈[22.5°，45°]区间内的悬浮力，此时A相复合励磁绕组输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机，包括1个开关磁阻电机和1个磁轴承，所述开关磁阻电机与磁轴承串联布置；所述开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈所述磁轴承，包括磁轴承定子、磁轴承转子、偏置线圈和悬浮线圈；所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子分别套在转轴上；所述磁阻电机定子为凸极结构，齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为12，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°，所述磁轴承转子为圆柱结构；其特征在于，每个磁阻电机定子齿上绕有1个磁阻电机线圈，相隔90°的4个磁阻电机线圈串联，构成1个转矩绕组，共3个，分别为A转矩绕组、B相转矩绕组和C相转矩绕组，其中，B相转矩绕组、C相转矩绕组与A相转矩绕组在空间上分别相差30°和‑30°；位于水平方向和竖直方向的4个相差90°的磁轴承定子齿上分别绕有1个偏置线圈和1个悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个悬浮线圈；位于水平方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个水平方向悬浮绕组，位于竖直方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个竖直方向悬浮绕组；所述4个相差90°的偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；所述1个偏置绕组与A相转矩绕组串联，构成A相复合励磁绕组。...

【技术特征摘要】
1.一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机，包括1个开关磁阻电机和1个磁轴承，所述开关磁阻电机与磁轴承串联布置；所述开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈所述磁轴承，包括磁轴承定子、磁轴承转子、偏置线圈和悬浮线圈；所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子分别套在转轴上；所述磁阻电机定子为凸极结构，齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为12，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°，所述磁轴承转子为圆柱结构；其特征在于，每个磁阻电机定子齿上绕有1个磁阻电机线圈，相隔90°的4个磁阻电机线圈串联，构成1个转矩绕组，共3个，分别为A转矩绕组、B相转矩绕组和C相转矩绕组，其中，B相转矩绕组、C相转矩绕组与A相转矩绕组在空间上分别相差30°和-30°；位于水平方向和竖直方向的4个相差90°的磁轴承定子齿上分别绕有1个偏置线圈和1个悬浮线圈，共4个偏置线圈和4个悬浮线圈；位于水平方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个水平方向悬浮绕组，位于竖直方向的2个相差180°的悬浮线圈串联，构成1个竖直方向悬浮绕组；所述4个相差90°的偏置线圈串联，构成1个偏置绕组；所述1个偏置绕组与A相转矩绕组串联，构成A相复合励磁绕组。2.根据权利要求1所述的一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，A相复合励磁绕组采用恒导通励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，在开关磁阻电机内产生转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；通过控制两个悬浮绕组中的电流大小和方向，以调节悬浮力；每一个磁阻电机转子周期，控制A相转矩绕组在正转矩半周期内的电流值为负转矩半周期内电流值的两倍，并通过转矩绕组电流与平均转矩和开关角的关系，使三相转矩绕组输出的平均转矩相等；转矩控制与悬浮力控制相互独立，且转矩与悬浮力可实现解耦控制；包括如下步骤：步骤A，采集磁阻电机转子实时位置角θ，判别各相励磁状态；步骤A-1，定义θ＝0的磁阻电机转子位置，与A相复合励磁绕组所在的磁阻电机定子齿与磁阻电机转子对齐的位置，相差22.5°；A相复合励磁绕组恒导通励磁，一个转子周期角为45°，且每个悬浮力控制区间为[0，45°]，令θ＝0时A相复合励磁绕组开始励磁导通；步骤A-2，当θ＝θonb时，开通B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相开始励磁导通，当θ＝θoffb时，关断B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相结束励磁；其中，θonb和θoffb分别B相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，二者均与转速相关，θonb的取值范围为[7.5°，15°]，B相转矩绕组的导通角为(θoffb-θonb)，其取值...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘泽远，蔡骏，赵春文，
申请(专利权)人：南京埃克锐特机电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32