[發(fā)明專利]一種五自由度錐形磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)及控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710851516.0
• 申請(qǐng)日: 2017-09-19
• 公開（公告）號(hào): CN107612255B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉澤遠(yuǎn);蔡駿
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京?？虽J特機(jī)電科技有限公司
• 主分類號(hào): H02K19/10
• 分類號(hào): H02K19/10;H02K3/28;H02P25/08
• 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

1.一種五自由度錐形磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法，所述五自由度錐形磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)包括錐形磁軸承Ⅰ、開關(guān)磁阻電機(jī)和錐形磁軸承Ⅱ；所述開關(guān)磁阻電機(jī)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(zhuǎn)子Ⅰ、偏置線圈Ⅰ和徑向懸浮線圈Ⅰ構(gòu)成；

錐形磁軸承Ⅱ由錐形定子Ⅱ、錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ、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)，錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ布置在錐形定子Ⅱ內(nèi)，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子布置在磁阻電機(jī)定子內(nèi)；所述錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ、磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子和錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ套在轉(zhuǎn)軸上；

所述錐形定子Ⅰ和錐形定子Ⅱ均為錐形凸極結(jié)構(gòu)，二者的齒數(shù)均為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)定子的齒數(shù)為12，磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為8；所述開關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)為3；所述磁阻電機(jī)定子的每個(gè)定子齒上繞有1個(gè)磁阻電機(jī)線圈，共12個(gè)；

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

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

所述五自由度錐形磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組連接方式為：每相電樞繞組均由4個(gè)相隔90°的磁阻電機(jī)線圈組成，共形成3相電樞繞組，分別為A相電樞繞組，B相電樞繞組和C相電樞繞組；B相電樞繞組、C相電樞繞組在空間上分別與A相電樞繞組分別相隔30°和-30°；

所述3相電樞繞組的連接方式為：A相電樞繞組中兩個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)線圈串聯(lián)，構(gòu)成A相通道Ⅰ電樞繞組，剩余兩個(gè)相隔180°的磁阻電機(jī)線圈串聯(lián)，構(gòu)成A相通道Ⅱ電樞繞組；B相電樞繞組的4個(gè)相隔90°的磁阻電機(jī)線圈串聯(lián)在一起；C相電樞繞組的4個(gè)相隔90°的磁阻電機(jī)線圈串聯(lián)在一起；

所述錐形定子Ⅰ的徑向懸浮線圈Ⅰ連接方式為：在水平方向相隔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；

所述錐形定子Ⅱ的徑向懸浮線圈Ⅱ連接方式為：在水平方向相隔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；

所述錐形定子Ⅰ的4個(gè)偏置線圈Ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)偏置線圈串Ⅰ，所述錐形定子Ⅱ的4個(gè)偏置線圈Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成1個(gè)偏置線圈串Ⅱ；

所述A相通道Ⅰ電樞繞組和1個(gè)所述偏置線圈串Ⅰ串聯(lián)，構(gòu)成A相通道Ⅰ復(fù)合繞組；所述A相通道Ⅱ電樞繞組和1個(gè)所述偏置線圈串Ⅱ串聯(lián)，構(gòu)成A相通道Ⅱ復(fù)合繞組；

所述五自由度錐形磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法，其特征在于，所述開關(guān)磁阻電機(jī)的B、C相電樞繞組采用輪流導(dǎo)通控制策略，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；A相兩通道復(fù)合繞組采用恒導(dǎo)通控制策略，其中A相電樞繞組在開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，兩個(gè)偏置繞組將在兩個(gè)錐形磁軸承內(nèi)產(chǎn)生偏置磁通，并且通過獨(dú)立控制A相每個(gè)通道復(fù)合繞組的電流大小，在產(chǎn)生軸向懸浮力的同時(shí)，還使得A相產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩與B、C兩相相等，進(jìn)而保證三相輸出的平均轉(zhuǎn)矩相等；再通過與兩個(gè)錐形磁軸承中的四個(gè)徑向懸浮繞組電流的協(xié)調(diào)控制，進(jìn)而產(chǎn)生五個(gè)方向懸浮力，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五個(gè)方向的懸浮運(yùn)行；包括如下步驟：

步驟A，采集轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置角θ，并判別各相勵(lì)磁狀態(tài)，具體步驟如下：

步驟A-1，定義轉(zhuǎn)子位置角θ＝0時(shí)A相電樞繞組電感最小，超前A相對(duì)齊位置22.5°；當(dāng)θ＝0時(shí)，開通A相通道Ⅰ和通道Ⅱ復(fù)合繞組功率電路的功率開關(guān)，A相勵(lì)磁導(dǎo)通；

步驟A-2，當(dāng)θ＝θ_onb時(shí)，開通B相電樞繞組功率電路的功率開關(guān)，B相開始勵(lì)磁導(dǎo)通，當(dāng)θ＝θ_offb時(shí)，關(guān)斷B相功率開關(guān)，B相結(jié)束勵(lì)磁，其中θ_onb的取值范圍為[7.5°，15°]，θ_offb的取值范圍為[30°，37.5°]，并定義開通角θ_on＝θ_onb，關(guān)斷角θ_off＝θ_offb；

步驟A-3，當(dāng)θ＝θ_onc時(shí)，開通C相電樞繞組功率電路的功率開關(guān)，C相開始勵(lì)磁導(dǎo)通，當(dāng)θ＝θ_offc時(shí)，關(guān)斷C相功率開關(guān)，C相結(jié)束勵(lì)磁，其中θ_onc＝θ_on+15°，θ_offc＝θ_off+15°；

步驟B，獲取B、C相電樞繞組電流的參考值；具體步驟如下：

步驟B-1，采集轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)子角速度ω；

步驟B-2，將轉(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B-3，所述轉(zhuǎn)速差Δω，通過比例積分控制器，獲得B、C相電樞繞組電流的參考值i_m^*；

步驟C，獲取A相通道Ⅰ和通道Ⅱ復(fù)合繞組電流參考值與電流i_m^*的約束關(guān)系式；具體步驟如下：

步驟C-1，當(dāng)θ∈[0°，22.5°]時(shí)，A相通道Ⅰ復(fù)合繞組電流的參考值A(chǔ)相通道Ⅱ復(fù)合繞組電流的參考值與i_m^*滿足

步驟C-2，當(dāng)θ∈[22.5°，45°]時(shí)，A相通道Ⅰ復(fù)合繞組電流的參考值A(chǔ)相通道Ⅱ復(fù)合繞組電流的參考值與i_m^*滿足

步驟D，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D-1，獲取錐形轉(zhuǎn)子Ⅰ的x軸和y軸方向的實(shí)時(shí)位移信號(hào)α₁和β₁，其中，x軸為水平方向，y軸為豎直方向；

步驟D-2，將實(shí)時(shí)位移信號(hào)α₁和β₁分別與給定的參考位移信號(hào)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(hào)差Δα₁和Δβ₁，將所述實(shí)時(shí)位移信號(hào)差Δα₁和Δβ₁經(jīng)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E，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E-1，獲取錐形轉(zhuǎn)子Ⅱ的x軸和y軸方向的實(shí)時(shí)位移信號(hào)α₂和β₂；

步驟E-2，將實(shí)時(shí)位移信號(hào)α₂和β₂分別與給定的參考位移信號(hào)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(hào)差Δα₂和Δβ₂，將所述實(shí)時(shí)位移信號(hào)差Δα₂和Δβ₂經(jīng)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F，獲取z軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：

步驟F-1，獲取轉(zhuǎn)子z軸方向的實(shí)時(shí)位移信號(hào)z，其中z軸與x軸和y軸方向垂直；

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

步驟G，獲取A相通道Ⅰ和通道Ⅱ復(fù)合繞組電流的參考值，具體步驟如下：

步驟G-1，獲取θ∈[0°，22.5°]時(shí)A相通道Ⅰ和通道Ⅱ復(fù)合繞組電流的參考值；

根據(jù)所述懸浮力和轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值i_m^*，以及計(jì)算公式和約束關(guān)系式解算出θ∈[0°，22.5°]時(shí)的A相通道Ⅰ和通道Ⅱ復(fù)合繞組電流參考值和其中，k_f1為徑向懸浮力系數(shù)，k_f2為軸向懸浮力系數(shù)，μ₀為真空磁導(dǎo)率，l為磁軸承部分的軸向長度，r為磁軸承轉(zhuǎn)子的平均半徑，α_s為錐形磁軸承定子的極弧角，δ為錐形磁軸承的單邊氣隙長度，ε為錐形角，N_b為偏置繞組的匝數(shù)；

步驟G-2，獲取θ∈[22.5°，45°]時(shí)A相通道Ⅰ和通道Ⅱ復(fù)合繞組電流的參考值；

根據(jù)所述懸浮力和轉(zhuǎn)矩繞組電流參考值i_m^*，以及計(jì)算公式和約束關(guān)系式解算出θ∈[22.5°，45°]時(shí)的A相通道Ⅰ和通道Ⅱ復(fù)合繞組電流參考值和

步驟H，調(diào)節(jié)徑向懸浮力，具體步驟如下：

步驟H-1，根據(jù)所述懸浮力和A相通道Ⅰ復(fù)合繞組電流的參考值以及電流計(jì)算公式和解算得到錐形磁軸承Ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組電流參考值和y軸方向徑向懸浮繞組電流參考值其中，N_s為徑向懸浮繞組匝數(shù)；

步驟H-2，根據(jù)所述懸浮力和A相通道Ⅱ復(fù)合繞組電流的參考值以及電流計(jì)算公式和解算得到錐形磁軸承Ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組電流參考值和y軸方向徑向懸浮繞組電流參考值

步驟H-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承Ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組實(shí)際電流i_x1跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用y軸方向徑向懸浮繞組的實(shí)際電流i_y1跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)錐形磁軸承Ⅰ的徑向懸浮力；

用錐形磁軸承Ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組實(shí)際電流i_x2跟蹤該方向徑向懸浮繞組電流參考值用y軸方向徑向懸浮繞組的實(shí)際電流i_y2跟蹤該方向懸浮繞組電流參考值進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)錐形磁軸承Ⅱ的徑向懸浮力；

步驟I，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和軸向懸浮力；

用B相電樞繞組的實(shí)際電流i_b和C相電樞繞組的實(shí)際電流i_c分別跟蹤電流參考值用A相通道Ⅰ復(fù)合繞組的實(shí)際電流i_aⅠ跟蹤其電流參考值用A相通道Ⅱ復(fù)合繞組的實(shí)際電流i_aⅡ跟蹤其電流參考值進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和軸向懸浮力的目的。