[發(fā)明專利]一種五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710231333.9
• 申請日: 2017-04-11
• 公開（公告）號: CN106953457B
• 公開（公告）日: 2018-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉澤遠(yuǎn);蔡駿;趙春文
• 申請（專利權(quán)）人: 南京?？虽J特機(jī)電科技有限公司
• 主分類號: H02K7/09
• 分類號: H02K7/09;H02K29/00;H02P25/08;H02N15/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

1.一種五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，包括錐形磁軸承Ⅰ、徑向磁軸承Ⅰ、開關(guān)磁阻電機(jī)、徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ；所述錐形磁軸承Ⅰ和徑向磁軸承Ⅰ布置在開關(guān)磁阻電機(jī)一側(cè)，而徑向磁軸承Ⅱ和錐形磁軸承Ⅱ布置在開關(guān)磁阻電機(jī)另一側(cè)；

所述錐形磁軸承Ⅰ由錐形定子Ⅰ、錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ、軸向偏置線圈Ⅰ和軸向懸浮線圈Ⅰ構(gòu)成；

所述錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ、軸向偏置線圈Ⅱ和軸向懸浮線圈Ⅱ構(gòu)成；

所述徑向磁軸承Ⅰ由徑向定子Ⅰ、徑向轉(zhuǎn)子Ⅰ、徑向偏置線圈Ⅰ和徑向懸浮線圈Ⅰ構(gòu)成；

所述徑向磁軸承Ⅱ由徑向定子Ⅱ、徑向轉(zhuǎn)子Ⅱ、徑向偏置線圈Ⅱ和徑向懸浮線圈Ⅱ構(gòu)成；

所述開關(guān)磁阻電機(jī)由磁阻電機(jī)定子、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁阻電機(jī)線圈構(gòu)成；

所述錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ布置在錐形定子Ⅰ內(nèi)，徑向轉(zhuǎn)子Ⅰ布置在徑向定子Ⅰ內(nèi)，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機(jī)定子內(nèi)，徑向轉(zhuǎn)子Ⅱ布置在徑向定子Ⅱ內(nèi)，錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內(nèi)；所述錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ、徑向轉(zhuǎn)子Ⅰ、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子、徑向轉(zhuǎn)子Ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；所述錐形定子Ⅰ、徑向定子Ⅰ、磁阻電機(jī)定子、徑向定子Ⅱ和錐形定子Ⅱ串聯(lián)布置，且上述定子之間均存在間隙；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有12/8、6/4、8/6三種組合形式；其中磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為12/8和6/4時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)m為3，磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)組合為8/6時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)m為4；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用12/8組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為12、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為8、電機(jī)相數(shù)m為3時(shí)，每4個(gè)相隔90°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)線圈，采用串聯(lián)、或并列、或串并結(jié)合的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個(gè)電樞繞組，共形成3個(gè)電樞繞組；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用6/4組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為6、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4、電機(jī)相數(shù)m為3時(shí)，每2個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)線圈，采用串聯(lián)、或并列的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個(gè)電樞繞組，共形成3個(gè)電樞繞組；

所述磁阻電機(jī)定子和磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)采用8/6組合，即所述磁阻電機(jī)定子齒數(shù)為8、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6、電機(jī)相數(shù)m為4時(shí)，每2個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)定子齒上的磁阻電機(jī)線圈，采用串聯(lián)、或并列的連接方式，連接在一起，構(gòu)成1個(gè)電樞繞組，共形成4個(gè)電樞繞組；

所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ均為錐形凸極結(jié)構(gòu)，二者的定子齒數(shù)為4，所述錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ均為錐形圓柱結(jié)構(gòu)；錐形定子Ⅰ、錐形定子Ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ的錐形角相等；錐形定子Ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ的錐形角開口方向相同，錐形定子Ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ的錐形角開口方向相同；錐形定子Ⅰ和錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ的錐形角開口方向與錐形定子Ⅱ和錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ的錐形角開口方向相反；

所述徑向定子Ⅰ和徑向定子Ⅱ均為凸極結(jié)構(gòu)，二者的定子齒數(shù)為4，所述徑向定子Ⅰ的4個(gè)定子齒和徑向定子Ⅱ的4個(gè)定子齒對齊；所述徑向轉(zhuǎn)子Ⅰ和徑向轉(zhuǎn)子Ⅱ均為圓柱結(jié)構(gòu)；

其特征在于，所述錐形定子Ⅰ的每個(gè)定子齒上繞有1個(gè)軸向懸浮線圈Ⅰ和1個(gè)軸向偏置線圈Ⅰ，共4個(gè)軸向懸浮線圈Ⅰ和4個(gè)軸向偏置線圈Ⅰ；

所述錐形定子Ⅱ的每個(gè)定子齒上繞有1個(gè)軸向懸浮線圈Ⅱ和1個(gè)軸向偏置線圈Ⅱ，共4個(gè)軸向懸浮線圈Ⅱ和4個(gè)軸向偏置線圈Ⅱ；

所述徑向定子Ⅰ的每個(gè)定子齒上繞有1個(gè)徑向懸浮線圈Ⅰ和1個(gè)徑向偏置線圈Ⅰ，共4個(gè)徑向懸浮線圈Ⅰ和4個(gè)徑向偏置線圈Ⅰ；

所述徑向定子Ⅱ的每個(gè)定子齒上繞有1個(gè)徑向懸浮線圈Ⅱ和1個(gè)徑向偏置線圈Ⅱ，共4個(gè)徑向懸浮線圈Ⅱ和4個(gè)徑向偏置線圈Ⅱ；

所述徑向定子Ⅰ的徑向懸浮線圈Ⅰ連接方式為：在水平方向位置處相隔180°的2個(gè)徑向懸浮線圈Ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)水平方向徑向懸浮繞組Ⅰ；在豎直方向位置處相隔180°的2個(gè)徑向懸浮線圈Ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)豎直方向徑向懸浮繞組Ⅰ；

所述徑向定子Ⅱ的徑向懸浮線圈Ⅱ連接方式為：在水平方向位置處相隔180°的2個(gè)徑向懸浮線圈Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)水平方向徑向懸浮繞組Ⅱ；在豎直方向位置處相隔180°的2個(gè)徑向懸浮線圈Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)豎直方向徑向懸浮繞組Ⅱ；

所述4個(gè)軸向懸浮線圈Ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)軸向懸浮線圈串Ⅰ；所述4個(gè)軸向懸浮線圈Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)軸向懸浮線圈串Ⅱ；所述1個(gè)軸向懸浮線圈串Ⅰ和1個(gè)軸向懸浮線圈串Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)軸向懸浮繞組；

所述4個(gè)軸向偏置線圈Ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)軸向偏置線圈串Ⅰ，所述4個(gè)軸向偏置線圈Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)軸向偏置線圈串Ⅱ；所述4個(gè)徑向偏置線圈Ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)徑向偏置線圈串Ⅰ，所述4個(gè)徑向偏置線圈Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)徑向偏置線圈串Ⅱ；

所述1個(gè)軸向偏置線圈串Ⅰ、1個(gè)徑向偏置線圈串Ⅰ、1個(gè)軸向偏置線圈串Ⅱ和1個(gè)徑向偏置線圈串Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)偏置繞組。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的控制方法，所述五自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)開關(guān)磁阻磁阻電機(jī)、兩個(gè)徑向磁軸承和兩個(gè)錐形磁軸承，其中開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個(gè)徑向磁軸承產(chǎn)生4個(gè)徑向懸浮力，兩個(gè)錐形磁軸承產(chǎn)生軸向懸浮力，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個(gè)方向的懸浮運(yùn)行；所述磁懸浮系統(tǒng)的繞組由m相電樞繞組、1個(gè)偏置繞組、4個(gè)徑向懸浮繞組和1個(gè)軸向懸浮繞組構(gòu)成，所述1個(gè)偏置繞組串聯(lián)到m相電樞繞組的不對稱半橋功率變換器的直流母線中，并經(jīng)四個(gè)二極管使所述偏置繞組的電流方向始終與m相電樞繞組電流方向相同；獨(dú)立控制m相電樞繞組電流，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，并產(chǎn)生偏置磁通；獨(dú)立控制5個(gè)懸浮繞組電流，實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮調(diào)節(jié)；其特征在于，所述控制方法包括如下步驟：

步驟A，獲取給定電樞繞組電流、開通角和關(guān)斷角；具體步驟如下：

步驟A-1，采集磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)子角速度ω；

步驟A-2，將磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度ω與設(shè)定的參考角速度ω^*相減，得到轉(zhuǎn)速差Δω；

步驟A-3，當(dāng)ω≤ω₀時(shí)，ω₀為臨界速度設(shè)定值，其由電機(jī)實(shí)際工況確定；所述轉(zhuǎn)速差Δω，通過比例積分控制器，獲得電樞繞組電流參考值i_m^*；開通角θ_on和關(guān)斷角θ_off固定不變，θ_on和θ_off取值由電機(jī)結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定；

步驟A-4，當(dāng)ω＞ω₀時(shí)，所述轉(zhuǎn)速差Δω，通過比例積分控制器，獲得開通角θ_on和關(guān)斷角θ_off，電樞繞組電流不控制；

步驟B，獲取徑向磁軸承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，獲取徑向轉(zhuǎn)子Ⅰ的x軸和y軸方向的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)位移信號差Δα₁和Δβ₁，將所述實(shí)時(shí)位移信號差Δα₁和Δβ₁經(jīng)過比例積分微分控制器，得到徑向磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮力和y軸方向懸浮力

步驟C，獲取徑向磁軸承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，獲取徑向轉(zhuǎn)子Ⅱ的x軸和y軸方向的實(shí)時(shí)位移信號α₂和β₂；

步驟C-2，將實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)位移信號差Δα₂和Δβ₂，將所述實(shí)時(shí)位移信號差Δα₂和Δβ₂經(jīng)過比例積分微分控制器，得到徑向磁軸承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，獲取磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子z軸方向的實(shí)時(shí)位移信號z_z，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；

步驟D-2，將實(shí)時(shí)位移信號z_z與給定的參考位移信號z_z^*相減，得到z軸方向的實(shí)時(shí)位移信號差Δz_z，將所述實(shí)時(shí)位移信號差Δz_z經(jīng)過比例積分微分控制器，得到的z軸方向懸浮力

步驟E，調(diào)節(jié)懸浮力，具體步驟如下：

步驟E-1，采集實(shí)時(shí)的偏置繞組電流i_bias，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計(jì)算公式和解算得到徑向磁軸承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其中，k_f1為懸浮力系數(shù)，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l₁為徑向磁軸承I和徑向磁軸承II的軸向長度，r₁為徑向磁軸承I和徑向磁軸承II轉(zhuǎn)子的半徑，α_s1為徑向定子I和徑向定子II的定子齒的極弧角，δ₁為徑向磁軸承I和徑向磁軸承II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(shù)，偏置繞組電流i_bias由開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行工況決定，經(jīng)電流傳感器檢查得到；

步驟E-2，根據(jù)所述懸浮力和以及電流計(jì)算公式和解算得到徑向磁軸承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E-3，根據(jù)所述懸浮力以及電流計(jì)算公式解算得到z軸方向懸浮繞組電流參考值其中，k_f2為懸浮力系數(shù)，l₂為錐形磁軸承I和錐形磁軸承II的軸向長度，r₂為錐形磁軸承I和錐形磁軸承II的轉(zhuǎn)子的平均半徑，δ₂為錐形磁軸承I和錐形磁軸承II的單邊氣隙長度，α_s2為錐形定子I和錐形定子II的定子齒的極弧角，ε為錐形磁軸承I和錐形磁軸承II的錐形角，N_z為軸向懸浮繞組的匝數(shù)；

步驟E-4，利用電流斬波控制方法，用徑向磁軸承Ⅰ的x軸方向懸浮繞組實(shí)際電流i_x1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(shí)際電流i_y1跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用徑向磁軸承Ⅱ的x軸方向懸浮繞組實(shí)際電流i_x2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(shí)際電流i_y2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值

用z軸方向懸浮繞組實(shí)際電流i_z跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)懸浮力；

步驟F，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；具體步驟如下：

步驟F-1，當(dāng)ω≤ω₀時(shí)，利用電流斬波控制方法，以電樞繞組的實(shí)際電流i_m跟蹤電樞繞組電流參考值i_m^*，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電樞繞組電流i_m，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的；

步驟F-2，當(dāng)ω＞ω₀時(shí)，利用角度位置控制方法，調(diào)節(jié)開通角θ_on和關(guān)斷角θ_off的取值，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。