[發明專利]一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機及控制方法

有效

• 申請號: 201410381562.5
• 申請日: 2014-08-05
• 公開（公告）號: CN104184286B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 周云紅;孫玉坤
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: H02P25/08
• 分類號: H02P25/08
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 董建林

1.一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機，包括內定子(6)、轉子(4)和外定子(1)，其特征在于：所述內定子(6)、轉子(4)、外定子(1)以同心方式依次嵌套，所述外定子(1)內壁等間隔設置12個轉矩極(2)，所述轉矩極(2)上繞有主繞組(3)；轉子(4)的外壁上等間隔地設置8個轉子凸極(5)；內定子(6)的外壁上等間隔設置4個懸浮極(7)，所述懸浮極(7)上繞有懸浮力繞組(8)；

所述主繞組(3)的徑向垂直相對的四極串接，形成A、B、C三相，所述主繞組(3)的功率變換器采用三相不對稱半橋功率變換器；所述內定子的功率變換器采用四相不對稱半橋功率變換器；

所述三相不對稱半橋功率變換器包括三相不對稱半橋拓撲電路，所述三相不對稱半橋拓撲電路包括充電端電容C1、放電端電容C2、放電端電感L2、放電端二極管D8、開關端電感L1、功率器件(10)、開關電容C3、單刀雙擲開關S和三組相并聯的半橋拓撲電路(11)；所述功率器件(10)包括功率開關管V7和二極管D7，所述放電端電感L2、放電端電容C2、功率開關管V7、二極管D7和放電端二極管D8組成Cuk變換器；

所述四相不對稱半橋功率變換器包括四相不對稱半橋拓撲電路，所述四相不對稱半橋拓撲電路包括四組相并聯的半橋拓撲電路(11)和一個并聯電容C11；

所述半橋拓撲電路(11)包括第一功率開關管(V11)、第二功率開關管(V15)、第一二極管(D11)、第二二極管(D15)和繞組，所述繞組的兩端分別連接第一功率開關管(V11)的發射極和第二功率開關管(V15)的集電極，第二二極管(D15)的負極連接第一功率開關管(V11)的發射極，正極連接第二功率開關管(V15)的發射極，第一二極管(D11)的負極連接第一功率開關管(V11)的集電極，正極連接第二功率開關管(V15)的集電極。

2.根據權利要求1所述的磁懸浮開關磁阻飛輪電機，其特征在于：所述三相不對稱半橋拓撲電路的三組半橋拓撲電路(11)中的繞組分別為主繞組L_ma、L_mb、L_mc，所述三相不對稱半橋拓撲電路的具體電路結構為：三組半橋拓撲電路(11)的第一功率開關管(V1)、(V3)、(V5)的集電極相連接，所述三組半橋拓撲電路(11)的第二功率開關管(V4)、(V2)、(V6)的發射極相連接，所述開關電容C3的兩端分別連接第一功率開關管(V1)、(V3)、(V5)的集電極和第二功率開關管(V4)、(V2)、(V6)的發射極；

所述功率器件(10)與放電端電容C2串聯后與所述放電端二極管D8并聯，放電端電感L2的一端連接放電端電容C2，單刀雙擲開關S的三個觸角分別連接開關端電感L1、放電端電感L2和充電端電容C1，開關端電感L1連接第一功率開關管(V1)、(V3)、(V5)的集電極，充電端電容C1并聯連接在充電端的正負極之間。

3.根據權利要求1所述的磁懸浮開關磁阻飛輪電機，其特征在于：所述四相不對稱半橋拓撲電路中的四組半橋拓撲電路(11)的繞組分別為懸浮力繞組L_x1、L_y1、L_x2、L_y2，所述四相不對稱半橋拓撲電路的具體電路結構為：

所述四組半橋拓撲電路(11)的第一功率開關管(V11)、(V12)、(V13)、(V14)的集電極相連接，所述四組半橋拓撲電路(11)的第二功率開關管(V15)、(V16)、(V17)、(V18)的發射極相連接，所述并聯電容C11的兩端分別連接第一功率開關管(V11)、(V12)、(V13)、(V14)的集電極和第二功率開關管(V15)、(V16)、(V17)、(V18)的發射極。

4.根據權利要求1所述的磁懸浮開關磁阻飛輪電機，其特征在于：所述主繞組和懸浮力繞組的磁通路徑之間互相獨立。

5.一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機的控制方法，其特征在于,包括如下步驟：

S01，建立電磁轉矩表達式：

主繞組的電感L關于轉子位置θ為分斷線性化曲線，考慮主繞組電流i_m對磁路飽和的影響，記臨界電流值為i₁，i_m＜i₁時磁路不飽和，i_m≥i₁時磁路飽和，則主繞組的電感L關于轉子位置θ分斷線性化曲線L(θ,i_m)的分段解析式為式(1)：

$L=\left\{\begin{array}{cc}{L}_{\min },& {\mathrm{\θ}}_1\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_2\\ \left.\begin{array}{cc}{L}_{\min }+K(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_2),& 0\<i_m\<i_1\\ L_{\min }+\frac{K(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_2)i_1}{i_m},& i_m\≥i_1\end{array}\right\}& {\mathrm{\θ}}_2\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_3\\ \left.\begin{array}{cc}{L}_{\max },& 0\≤i_m\≤i_1\\ L_{\max }+\frac{L_{\max }{i}_1}{i_m},& i_m\≥i_1\end{array}\right\}& {\mathrm{\θ}}_3\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_4\\ \left.\begin{array}{cc}{L}_{\max }-K(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_4),& 0\≤i_m\≤i_1\\ L_{\min }+\frac{\[L_{\max }-K\·(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_4)\]i_1}{i_m},& i_m\≥i_1\end{array}\right\}& {\mathrm{\θ}}_4\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_5\end{array}\right.---\left(1\right)$

則根據轉矩與磁場的關系得出主繞組瞬時電磁轉矩表達式為式(2)：

$T=\left\{\begin{array}{cc}0,& {\mathrm{\θ}}_1\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_2\\ \left.\begin{array}{cc}{\mathrm{Ki}}_m^2/2,& 0\≤i_m\≤i_1\\ K(i_m-i_1/2)i_1,& i_m\≥i_1\end{array}\right\}& {\mathrm{\θ}}_2\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_3\\ 0,& {\mathrm{\θ}}_3\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_4\\ \left.\begin{array}{cc}-{\mathrm{Ki}}_m^2/2,& 0\≤i_m\≤i_1\\ -K(i_m-i_1/2)i_1& i_m\≥i_1\end{array}\right\}& {\mathrm{\θ}}_4\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_5\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，T為主繞組瞬時電磁轉矩；K＝(L_max-L_min)/(θ₃-θ₂)；L_min為主繞組自感的最小值；L_max為主繞組自感的最大值，i_m為主繞組電流；θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅表示轉子的5個位置；θ₁表示轉子凸極前沿與外定子的轉矩極后沿對齊時的位置；θ₂表示轉子凸極后沿與外定子的轉矩極前沿對齊時的位置；θ₃表示轉子凸極后沿與外定子的轉矩極后沿對齊時的位置；θ₄表示轉子凸極前沿與外定子的轉矩極前沿對齊時的位置；θ₅表示轉子旋轉一個周期結束后轉子凸極前沿與外定子的轉矩極后沿對齊時的位置；

S02，建立徑向懸浮力表達式:

設電機轉子在x軸和y軸正方向的偏心分別為x、y，忽略懸浮極的磁飽和影響，徑向懸浮力與懸浮力繞組電流i_x1、i_x2、i_y1和i_y2的關系有如下公式：

$\begin{array}{ccc}{F}_{ij}==\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}_f^2{\mathrm{h\β}}_r}{2l_{ij}^2}{i}_{ij}^2,& i=x,y& j=1,2\end{array}---\left(3\right)$

式中：μ₀為真空磁導率；β_r＝πr/4，l_x1＝l_o-x，l_y1＝l_o-y，l_x2＝l_o+x，l_y2＝l_o+y，l_o為內定子與轉子的平均氣隙長度，r為轉子半徑，h為定子疊片長度，β_r為轉子齒寬；N_f表示一個懸浮極上的懸浮力繞組的匝數；

F_x1為沿x正方向的徑向力，由i_x1產生；F_x2為沿x負方向的徑向力，由i_x2產生；F_y1是沿y正方向的徑向力，由i_y1產生；F_y2是沿y負方向的徑向力，由i_y2產生；l_x1是轉子內沿與內定子之間沿x正方向的氣隙長度；l_x2是轉子內沿與內定子之間沿x負方向的氣隙長度；l_y1是轉子內沿與內定子之間沿y正方向的氣隙長度；l_y2是轉子內沿與內定子之間沿y負方向的氣隙長度；

S03，采用x軸的徑向位移傳感器檢測得到所述飛輪電機轉子沿x軸方向的實時徑向位移信號x'，將所述沿x軸方向的實時徑向位移信號x'與給定的x軸方向參考徑向位移信號x^*經過x軸方向的徑向位移環得到沿x軸方向的位移差Δx；將沿x軸方向的位移差Δx，經過第一PID控制器調節后，輸出給定懸浮力判斷給定懸浮力是否大于0，若則根據公式(3)計算懸浮極x₁的懸浮力繞組L_x1的給定電流若則根據公式(3)計算懸浮極x₂的極懸浮力繞組L_x2的給定電流

S04，采用y軸的徑向位移傳感器檢測得到雙繞組磁懸浮開關磁阻發電機轉子沿y軸方向的實時徑向位移信號y'，將所述沿y軸方向的實時徑向位移信號y'與給定的雙繞組磁懸浮開關磁阻電機轉子的y軸方向參考徑向位移信號y^*經過y軸方向的徑向位移環得到沿y軸方向的位移差Δy，將所述沿y軸方向的位移差Δy；經過第二PID控制器調節后，輸出給定懸浮力判斷給定懸浮力是否大于0，若則根據公式(3)計算懸浮極y₁上的懸浮力繞組L_y1的給定電流若則根據公式(3)計算懸浮極y₂上的懸浮力繞組L_y2的給定電流S05，采用光電傳感器檢測得到所述飛輪電機轉子的位置角θ，并根據轉子位置角θ的變化計算出轉速ω，將采樣得到的實際主繞組電流i_m帶入到公式(2)，獲取主繞組瞬時電磁轉矩T；T*ω估算出飛輪電機吸收的電磁功率能量管理外環根據上層控制器指令儲存或釋放的功率p^*并結合自身功率估計值計算飛輪電機輸入或輸出的主繞組給定電流然后由電流內環調節飛輪電機的主繞組電流i_m，使所述主繞組電流i_m跟隨能量管理環的輸出值通過主繞組電流i_m實現飛輪電機電動和發電兩種工作狀態的平滑切換，當主繞組電流i_m大于零時，飛輪電機工作在電動狀態；當主繞組電流i_m小于零時，飛輪電機工作在發電狀態。