一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法技术

本发明专利技术公布了一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法，属于磁悬浮电机及其控制领域。该电机由12/8极开关磁阻电机和4极磁轴承串联集合而成；4个悬浮绕组缠绕在磁轴承定子和与之对齐的4个磁阻电机定子之上，用于产生悬浮力；8个电枢绕组绕在其余8个磁阻电机定子上，用于产生转矩。控制中，悬浮绕组采用恒导通励磁，在磁轴承和磁阻电机内同时产生悬浮力；8个转矩绕组连接为两相，轮流励磁导通，在磁阻电机内产生转矩。本发明专利技术电机的控制方法每个正负半周期内，悬浮绕组电流对称，产生的正转矩与负转矩相等，平均转矩为零，故悬浮力与平均转矩解耦；另外，该正转矩还改善了电机启动性能，可克服传统两相电机启动难的缺点；且本发明专利技术结构简单，功率系统成本低且控制简单。

【技术实现步骤摘要】
一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法
本专利技术涉及一种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。为此，NASA学者Morrison提出了一种混合磁轴承开关磁阻电机，该电机由定子为8极凸极结构，而转子则采用复合结构，由一个圆柱转子和8极凸极转子构成。四个处于水平和竖直的绕组恒导通产生悬浮力，另外四个绕组两两连接为两相，轮流导通产生转矩。由于圆柱转子可产生较大的悬浮力，故该电机的径向负载能力得到显著提升，同时其具有全转子位置均具有悬浮轴承的能力。然而，由于磁轴承与开关磁阻电机共用一个定子，两相电枢绕组与四个悬浮绕组间存在较强的磁耦合，悬浮力数学模型复杂；另外，四个悬浮绕组相当于传统8/6极开关磁阻电机的另外两相，且产生的转矩方向始终相反，转矩脉动大，限制了启动性能，该电机的启动能力与传统两相电机相似，存在启动死区；受其结构限制，该电机不能实现转矩和悬浮力的解耦控制，高速悬浮的精确控制较为困难。为此，改善启动性能、降低其耦合强度、实现解耦控制是该类电机的重点研究方向之一。
技术实现思路
本专利技术目的是提出一种结构简单、启动性能较好、磁耦合强度弱、悬浮控制简单且可实现转矩和悬浮力解耦控制的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：一种混合磁轴承开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子、磁轴承定子、磁轴承转子、转矩线圈、悬浮线圈和转轴；所述磁阻电机定子与磁轴承定子串联紧密布置，所述磁阻电机转子与磁轴承转子串联紧密布置；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°；所述磁阻电机定子的极弧角与磁阻电机转子的极弧角相等，极弧角均为15°；所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，所述磁轴承转子为圆柱结构；所述4个磁轴承定子与4个磁阻电机定子对齐，且串联紧密布置，共构成4个悬浮力定子，其中2个相隔180°的悬浮力定子位于水平方向，剩余2个相隔180°的悬浮力定子位于竖直方向；所述4个悬浮力定子上均绕有1个悬浮线圈，共4个悬浮线圈，组成A相绕组；磁阻电机定子剩余的8个齿上均1个转矩线圈，共8个；所述4个相隔90°的转矩线圈串联，构成B相转矩绕组；剩余4个相隔90°的转矩线圈串联，构成C相转矩绕组；B相转矩绕组与C相转矩绕组在空间上相差30°；所述4个悬浮线圈独立控制，其中绕在水平正方向悬浮力定子上的悬浮线圈为水平正方向悬浮绕组，绕在水平负方向悬浮力定子上的悬浮线圈为水平负方向悬浮绕组，绕在竖直正方向悬浮力定子上的悬浮线圈为竖直正方向悬浮绕组，绕在竖直负方向悬浮力定子上的悬浮线圈为竖直负方向悬浮绕组。A相4个悬浮绕组恒导通产生悬浮力，并产生半个转子周期产生正转矩，再剩余半个转子周期产生负转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；通过独立控制A相4个悬浮绕组电流的大小，以调节悬浮力，且悬浮绕组电流在一个转子周期内产生的正负转矩对称相等，平均转矩为零，故平均转矩与悬浮力解耦；通过控制B、C两相转矩绕组电流的大小，以调节输出转矩，转矩绕组电流仅作为悬浮绕组电流计算的一个中间变量，与悬浮控制无关，且转矩绕组电流仅与输出转矩相关，故转矩控制与悬浮控制相互独立；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时的磁阻电机转子位置为悬浮力定子齿与磁阻电机转子齿对齐的位置，一个磁阻电机转子周期角为45°，A相4个悬浮绕组恒导通，且每个悬浮力控制的导通区间均为[-22.5°，22.5°]，令θ＝0时4个悬浮绕组开始励磁导通；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°，0]，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轴与所述水平方向悬浮力定子齿中心线重合，y轴与所述竖直方向悬浮力定子齿中心线重合，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轴方向和y轴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，利用电流斩波控制方法，以转矩绕组的实际电流im跟踪转矩绕组电流参考值im*，进而实时调节转矩绕组电流im，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，根据所述悬浮力和转矩绕组电流参考值im*，以及电流计算公式和可解算得到x轴方向悬浮绕组电流差的参考值和y轴方向悬浮绕组电流差的参考值其中，ki为第i悬浮区间的悬浮力系数，第1悬浮区间为θ∈[-22.5°，-15°]，第2悬浮区间为θ∈[-15°，0]，第3悬浮区间为θ∈[0，-15°]，第4悬浮区间为θ∈[15°，22.5°]，每个区间的悬浮力系数分别为：式中，μ0为真空磁导率，l1为磁轴承的轴向长度，r1为磁轴承转子的半径，αs为磁轴承定子的极弧角，单位为度，δ1为磁轴承的单边气隙长度，Ns为悬浮绕组匝数，l2为开关磁阻电机的轴向长度，r2为开关磁阻电机转子的半径，δ1为开关磁阻电机的单边气隙长度，开关磁阻电机定、转子极弧角度均为15°；步骤D-2，根据所述和以及电流计算公式和解算得到四个悬浮绕组电流的参考值和步骤D-3，利用电流斩波控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合磁轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子、磁轴承定子、磁轴承转子、转矩线圈、悬浮线圈和转轴；所述磁阻电机定子与磁轴承定子串联紧密布置，所述磁阻电机转子与磁轴承转子串联紧密布置；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°；所述磁阻电机定子的极弧角与磁阻电机转子的极弧角相等，极弧角均为15°；所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，所述磁轴承转子为圆柱结构；所述4个磁轴承定子与4个磁阻电机定子对齐，且串联紧密布置，共构成4个悬浮力定子，其中2个相隔180°的悬浮力定子位于水平方向，剩余2个相隔180°的悬浮力定子位于竖直方向；所述4个悬浮力定子上均绕有1个悬浮线圈，共4个悬浮线圈，组成A相绕组；磁阻电机定子剩余的8个齿上均1个转矩线圈，共8个；所述4个相隔90°的转矩线圈串联，构成B相转矩绕组；剩余4个相隔90°的转矩线圈串联，构成C相转矩绕组；B相转矩绕组与C相转矩绕组在空间上相差30°；所述4个悬浮线圈独立控制，其中绕在水平正方向悬浮力定子上的悬浮线圈为水平正方向悬浮绕组，绕在水平负方向悬浮力定子上的悬浮线圈为水平负方向悬浮绕组，绕在竖直正方向悬浮力定子上的悬浮线圈为竖直正方向悬浮绕组，绕在竖直负方向悬浮力定子上的悬浮线圈为竖直负方向悬浮绕组。...

【技术特征摘要】
1.一种混合磁轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子、磁轴承定子、磁轴承转子、转矩线圈、悬浮线圈和转轴；所述磁阻电机定子与磁轴承定子串联紧密布置，所述磁阻电机转子与磁轴承转子串联紧密布置；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°；所述磁阻电机定子的极弧角与磁阻电机转子的极弧角相等，极弧角均为15°；所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，所述磁轴承转子为圆柱结构；所述4个磁轴承定子与4个磁阻电机定子对齐，且串联紧密布置，共构成4个悬浮力定子，其中2个相隔180°的悬浮力定子位于水平方向，剩余2个相隔180°的悬浮力定子位于竖直方向；所述4个悬浮力定子上均绕有1个悬浮线圈，共4个悬浮线圈，组成A相绕组；磁阻电机定子剩余的8个齿上均1个转矩线圈，共8个；所述4个相隔90°的转矩线圈串联，构成B相转矩绕组；剩余4个相隔90°的转矩线圈串联，构成C相转矩绕组；B相转矩绕组与C相转矩绕组在空间上相差30°；所述4个悬浮线圈独立控制，其中绕在水平正方向悬浮力定子上的悬浮线圈为水平正方向悬浮绕组，绕在水平负方向悬浮力定子上的悬浮线圈为水平负方向悬浮绕组，绕在竖直正方向悬浮力定子上的悬浮线圈为竖直正方向悬浮绕组，绕在竖直负方向悬浮力定子上的悬浮线圈为竖直负方向悬浮绕组。2.根据权利要求1所述的一种混合磁轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，A相4个悬浮绕组恒导通产生悬浮力，并产生半个转子周期产生正转矩，再剩余半个转子周期产生负转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；通过独立控制A相4个悬浮绕组电流的大小，以调节悬浮力，且悬浮绕组电流在一个转子周期内产生的正负转矩对称相等，平均转矩为零，故平均转矩与悬浮力解耦；通过控制B、C两相转矩绕组电流的大小，以调节输出转矩，转矩绕组电流仅作为悬浮绕组电流计算的一个中间变量，与悬浮控制无关，且转矩绕组电流仅与输出转矩相关，故转矩控制与悬浮控制相互独立；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时的磁阻电机转子位置为悬浮力定子齿与磁阻电机转子齿对齐的位置，一个磁阻电机转子周期角为45°，A相4个悬浮绕组恒导通，且每个悬浮力控制的导通区间均为[-22.5°，22.5°]，令θ＝0时4个悬浮绕组开始励磁导通；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...

【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