[發明專利]一種錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機及控制方法

有效

• 申請號: 201611050501.6
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN106655666B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發明（設計）人: 劉澤遠;蔡駿;楊艷;劉程子;曹鑫;鄧智泉
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H02K7/09
• 分類號: H02K7/09;H02K1/14;H02K1/24;H02K3/28;H02N15/00;H02P25/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

1.一種錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機，包括錐形磁軸承Ⅰ、開關磁阻電機和錐形磁軸承Ⅱ；

所述開關磁阻電機布置在錐形磁軸承Ⅰ和錐形磁軸承Ⅱ之間；

錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉子Ⅰ、偏置繞組Ⅰ和徑向懸浮繞組Ⅰ構成；

錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉子Ⅱ、偏置繞組Ⅱ和徑向懸浮繞組Ⅱ構成；

所述開關磁阻電機由磁阻電機定子、磁阻電機轉子和磁阻電機繞組構成；

所述錐形轉子Ⅰ布置在錐形定子Ⅰ內，錐形轉子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內；所述錐形轉子Ⅰ、磁阻電機轉子和錐形轉子Ⅱ套在轉軸上；

所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ均為錐形凸極結構，所述錐形轉子Ⅰ和錐形轉子Ⅱ均為錐形圓柱結構；錐形定子Ⅰ、錐形定子Ⅱ、錐形轉子Ⅰ和錐形轉子Ⅱ的錐形角相等；錐形定子Ⅰ和錐形轉子Ⅰ的錐形角開口方向相同，錐形定子Ⅱ和錐形轉子Ⅱ的錐形角開口方向相同；錐形定子Ⅰ和錐形轉子Ⅰ的錐形角開口方向與錐形定子Ⅱ和錐形轉子Ⅱ的錐形角開口方向相反；

其特征在于，所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子均為凸極結構，磁阻電機定子的齒數為12，磁阻電機轉子的齒數為8；所述開關磁阻電機的相數為3；所述開關磁阻電機的每相繞組由4個相隔90°的磁阻電機定子齒上的繞組組成，每相4個繞組分別連接在一起，構成該相2個通道繞組，三相繞組共可構成6個通道繞組；其連接方式為：每相4個繞組中，相隔180°的兩個繞組串聯在一起，構成該相通道Ⅰ繞組，剩余兩個相隔180°的繞組串聯在一起，構成該相通道Ⅱ繞組；

所述錐形定子Ⅰ由4個錐形E型結構Ⅰ構成，4個錐形E型結構Ⅰ均勻分布，每個錐形E型結構Ⅰ之間相差90°；每個錐形E型結構Ⅰ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅰ和2個窄齒Ⅰ，且寬齒Ⅰ位于兩個窄齒Ⅰ之間；所述寬齒Ⅰ的齒寬是窄齒Ⅰ的二倍；

每個所述寬齒Ⅰ上均繞有3個寬齒繞組Ⅰ，在每個所述寬齒Ⅰ上選取1個寬齒繞組Ⅰ，串聯成1個偏置繞組Ⅰ，從而形成3個偏置繞組Ⅰ；

每個所述窄齒Ⅰ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅰ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅰ；

在水平正方向錐形E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯在一起，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在水平負方向錐形E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯在一起，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯在一起，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅰ；

在豎直正方向錐形E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯在一起，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；在豎直負方向錐形E型結構Ⅰ位置處的兩個窄齒Ⅰ上的2個徑向懸浮繞組Ⅰ串聯在一起，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅰ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅰ串聯在一起，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ由4個錐形E型結構Ⅱ構成，4個錐形E型結構Ⅱ均勻分布，每個錐形E型結構Ⅱ之間相差90°；每個錐形E型結構Ⅱ的齒數為3，包括1個寬齒Ⅱ和2個窄齒Ⅱ，且寬齒Ⅱ位于兩個窄齒Ⅱ之間；所述寬齒Ⅱ的齒寬是窄齒Ⅱ的二倍；

每個所述寬齒Ⅱ上均繞有3個寬齒繞組Ⅱ，在每個所述寬齒Ⅱ上選取1個寬齒繞組Ⅱ，串聯成1個偏置繞組Ⅱ，從而形成3個偏置繞組Ⅱ；

每個所述窄齒Ⅱ上均繞有1個徑向懸浮繞組Ⅱ，即共8個徑向懸浮繞組Ⅱ；

在水平正方向錐形E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯在一起，構成1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在水平負方向錐形E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯在一起，構成1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個水平正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個水平負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯在一起，構成1個水平徑向懸浮繞組Ⅱ；

在豎直正方向錐形E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯在一起，構成1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；在豎直負方向錐形E型結構Ⅱ位置處的兩個窄齒Ⅱ上的2個徑向懸浮繞組Ⅱ串聯在一起，構成1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ；所述1個豎直正方向徑向懸浮繞組串Ⅱ和1個豎直負方向徑向懸浮繞組串Ⅱ串聯在一起，構成1個豎直徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述開關磁阻電機的1個通道Ⅰ繞組和1個偏置繞組Ⅰ串聯，構成1個通道Ⅰ轉矩繞組，共3個，即三相通道Ⅰ轉矩繞組；

所述開關磁阻電機的1個通道Ⅱ繞組和1個偏置繞組Ⅱ串聯，構成1個通道Ⅱ轉矩繞組，共3個，即三相通道Ⅱ轉矩繞組。

2.根據權利要求1所述的一種錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機的控制方法，其特征在于，所述錐形磁懸浮雙通道開關磁阻電機包括1個開關磁阻電機和2個錐形磁軸承，其中開關磁阻電機每個通道繞組獨立控制，產生旋轉轉矩，并分別為兩個錐形磁軸承提供偏置磁通，同時與2個錐形磁軸承協調控制，共同產生五個方向懸浮力，以實現轉子五個方向的懸浮運行；包括如下步驟：

步驟A，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ轉矩繞組平均電流的參考值、開通角和關斷角；具體步驟如下：

步驟A-1，采集轉子實時轉速，得到轉子角速度ω；

步驟A-2，將轉子角速度ω與設定的參考角速度ω^*相減，得到轉速差Δω；

步驟A-3，所述轉速差Δω，通過比例積分控制器，獲得每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉矩繞組平均電流的參考值i_av^*；開通角θ_on和關斷角θ_off固定不變，θ_on和θ_off取值由電機結構形式決定；

步驟B，獲取錐形磁軸承Ⅰ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟B-1，獲取錐形轉子Ⅰ的x軸和y軸方向的實時位移信號α₁和β₁，其中，x軸為水平方向，y軸為豎直方向；

步驟B-2，將實時位移信號α₁和β₁分別與給定的參考位移信號α₁^*和β₁^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差Δα₁和Δβ₁，將所述實時位移信號差Δα₁和Δβ₁經過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟C，獲取錐形磁軸承Ⅱ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟C-1，獲取錐形轉子Ⅱ的x軸和y軸方向的實時位移信號α₂和β₂；

步驟C-2，將實時位移信號α₂和β₂分別與給定的參考位移信號α₂^*和β₂^*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差Δα₂和Δβ₂，將所述實時位移信號差Δα₂和Δβ₂經過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承Ⅱ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟D，獲取z軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟D-1，獲取轉子z軸方向的實時位移信號z，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；

步驟D-2，將實時位移信號z與給定的參考位移信號z^*相減，得到z軸方向的實時位移信號差Δz，將所述實時位移信號差Δz經過比例積分微分控制器，得到的z軸方向懸浮力

步驟E，獲取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的轉矩繞組電流的參考值，具體步驟如下：

步驟E-1，根據所述懸浮力和轉矩繞組電流參考值i_av^*，以及計算公式解算通道Ⅰ和通道Ⅱ轉矩繞組電流差的參考值Δi^*；其中，k_f1、k_f2為懸浮力系數，μ₀為真空磁導率，l為磁軸承部分的軸向長度，r為磁軸承轉子的平均半徑，α_s為E型結構窄齒的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度，N_b、N_s分別偏置繞組和徑向懸浮繞組的匝數，N_z為軸向懸浮繞組的匝數，γ為E型結構寬齒與窄齒間的夾角，ε為錐形角；

步驟E-2，根據所述i_av^*和Δi^*，以及計算公式和分別計算得到通道Ⅰ轉矩電流的參考值和通道Ⅱ轉矩電流的參考值

步驟F，調節徑向懸浮力，具體步驟如下：

步驟F-1，根據所述懸浮力和通道Ⅰ轉矩電流的參考值和通道Ⅱ轉矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承Ⅰ的x方向懸浮繞組電流參考值和y軸方向懸浮繞組電流參考值

步驟F-2，根據所述懸浮力和通道Ⅰ轉矩電流的參考值和通道Ⅱ轉矩電流的參考值以及電流計算公式和解算得到錐形磁軸承Ⅱ的x方向懸浮繞組電流參考值和y軸方向懸浮繞組電流參考值

步驟F-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s1跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用錐形磁軸承Ⅱ的x軸方向懸浮繞組實際電流i_s3跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值用y軸方向懸浮繞組的實際電流i_s4跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

步驟G，調節轉矩和軸向懸浮力；用通道Ⅰ的轉矩繞組實際電流i_1Ⅰ跟蹤該轉矩繞組電流參考值用通道Ⅱ的轉矩繞組實際電流i_1Ⅱ跟蹤該轉矩繞組電流參考值進而達到同時調節轉矩和軸向懸浮力的目的。