CN103296935B - 一种复合结构无轴承开关磁阻电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合结构无轴承开关磁阻电机及其控制方法，属于无轴承开关磁阻电机及其控制方法领域。转矩定子和悬浮力定子轴向叠加在一起合成一个定子；定子齿上绕有一个绕组，穿越转矩定子和悬浮力定子，绕组形式采用集中式绕组；转子由转矩转子与悬浮力转子组成，转矩转子与悬浮力转子轴向叠加布置在定子内，且转矩定子下方为转矩转子，两者轴向长度相同，悬浮力定子对应的转子为悬浮力转子两者轴向长度相同；悬浮力定子采用极靴结构，且悬浮力定子极弧角大于转矩定子极弧角。实现了悬浮力和转矩解耦控制，控制方法简单，径向承载力大，电机悬浮性能好。利用最小电感区实行悬浮控制，悬浮电流对转矩电流的影响小，相间耦合作用小。

Description

一种复合结构无轴承开关磁阻电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种复合结构无轴承开关磁阻电机及其控制方法，属于无轴承开关磁阻电机及其控制方法领域。

背景技术

无轴承开关磁阻电机是20世纪末发展起来的一种新型磁悬浮电机。双绕组无轴承开关磁阻电机是将产生悬浮力的悬浮绕组和原来普通开关磁阻电机的绕组一起叠绕在电机的定子上，通过控制两套绕组电流使其同时具有旋转和自悬浮能力，从而实现电机的超高速运行。而单绕组无轴承开关磁阻电机则是通过分布独立控制每套绕组电流使其同时具有旋转和自悬浮能力。单绕组无轴承开关磁阻电机，因其定子仅有一套绕组，结构更为简单，且控制算法简单，已成为无轴承开关磁阻电机的一个研究热点和发展趋势。

无论双绕组无轴承开关磁阻电机，还是单绕组无轴承开关磁阻电机，转矩和悬浮力之间存在复杂耦合的关系，且很难在控制策略和数学模型中实现二者的完全解耦，这是无轴承开关磁阻电机运行性能难以提高的关键因素之一。另外，由于悬浮力控制所需，必须对绕组电流进行斩波控制，而高速运行时，反电动势的激增导致无法对绕组电流进行跟踪及斩波控制，即出现电流斩不住的现象，这严重影响了无轴承开关磁阻电机高速性能的发挥。为此，解决前述问题是无轴承开关磁阻电机迈向实用化的基础。

发明内容

本发明目的是提出一种复合转子结构开关磁阻电机的控制方法，以期解决悬浮力和转矩解耦的问题，进而可发挥无轴承开关磁阻电机高速适应性强和高功率密度特性。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种复合结构无轴承开关磁阻电机，包括转矩定子，悬浮力定子，转矩转子，悬浮力转子和绕组；所述的转矩定子和悬浮力定子轴向叠加在一起合成一个定子，叠加时两个定子齿极中心对齐，且所述两个定子齿数均为12；定子齿上绕有一个绕组，转矩定子和悬浮力定子共用一个绕组，绕组形式采用集中式绕组；每4个相隔90°的定子齿上的绕组为一相绕组，即每相绕组各有4个绕组，其中α轴方向和β轴方向上个两个，3相12个定子齿的绕组独立控制；转子由转矩转子与悬浮力转子组成，两转子轴向叠加布置在定子内，且转矩定子下方对应转矩转子，两者轴向长度相同；悬浮力定子对应的转子为悬浮力转子，两者轴向长度相等；转矩转子为凸极结构，转子齿数为8，用于产生转矩，悬浮力转子为圆柱结构，用于产生悬浮力；悬浮力定子采用极靴结构，且悬浮力定子极弧角大于转矩定子极弧角，以增大悬浮力的输出，缩短悬浮力转子的轴向长度；通过同时调整转矩转子和转矩定子的轴向长度，以满足不同转矩输出的要求，通过优化设计悬浮力定子的极弧角和调整悬浮力定、转子的轴向长度，以适应不同径向负载需求。

复合结构无轴承开关磁阻电机的控制方法，利用每相绕组的最小电感平顶区域作为产生该相悬浮力的区域，且每相悬浮励磁区间均为15°；通过对α轴方向上两个绕组不对称励磁，产生悬浮力α轴方向悬浮力，通过对β轴方向上两个绕组不对称励磁，产生悬浮力β轴方向悬浮力；利用每相绕电感上升或下降区域产生转矩，以实现电机电动或发电运行；每时刻需两相绕组同时导通，一相绕组在最小电感平顶区内，通过不对称励磁产生悬浮力，悬浮导通区间为15°，而另一相绕组在电感上升或下降区域，通过对称励磁产生转矩；通过调节每相绕组电流及其开通关断角实现转速闭环，通过检测转子径向位移经PID调节器输出转子悬浮所需的径向力，实现转子径向位移闭环控制。

悬浮励磁区间的绕组电流控制方法采用斩波电流控制，且电流控制为恒值；转矩励磁区间的电流控制方法采用斩波电流控制或者PWM控制或者单脉冲控制。

有益效果

本发明提出了一种复合结构无轴承开关磁阻电机及其控制方法，实现了悬浮力和转矩解耦控制，控制方法简单，径向承载力大，电机悬浮性能好。利用最小电感区实行悬浮控制，悬浮电流对转矩电流的影响小，相间耦合作用小。电机绕组利用率高，功率密度高，高速适应性强。

本发明提出了一种复合结构无轴承开关磁阻电机及其控制方法，所述电机悬浮力定子采用极靴结构，且悬浮力定子极弧角比转矩定子极弧角大，以增大悬浮力的输出，缩短悬浮力转子的轴向长度；通过同时调整转矩转子和转矩定子的轴向长度，以满足不同转矩输出的要求，通过优化设计悬浮力定子的极弧角和调整悬浮力定、转子的轴向长度，以适应不同径向负载需求；每相绕组，在最小电感平顶区内，通过不对称励磁，利用悬浮力转子产生悬浮力，在电感上升或下降区域，通过对称励磁，利用转矩转子产生转矩；并且调节每相绕组电流及其开通关断角实现转速闭环；通过检测转子径向位移经PID调节器输出转子悬浮所需的径向力，实现转子径向位移闭环控制。本发明实现了悬浮力和转矩解耦控制，控制方法简单，径向承载力大，电机悬浮性能好；并且利用最小电感区实行悬浮控制，悬浮电流对转矩电流的影响小，相间耦合作用小。电机绕组利用率高，功率密度高，高速适应性强。

附图说明

图1是本发明的复合结构无轴承开关磁阻电机的三维结构剖视图，

图2是本发明复合结构无轴承开关磁阻电机的转矩定子、转子转子以及A相绕组示意图

图3是本发明复合结构无轴承开关磁阻电机的悬浮力定子、悬浮力转子以及A相绕组示意图

图4是本发明复合结构无轴承开关磁阻电机的绕组电感和电流与转子位置角的变化曲线图。

图5是本发明复合结构无轴承开关磁阻电机的系统控制框图。

图6是本发明复合结构无轴承开关磁阻电机的悬浮区间绕组电流的控制算法。

图中标号名称：1是转矩定子，2是悬浮力定子，3是转矩转子，4是悬浮力转子，5是绕组，6是绕组电感，7是悬浮阶段绕电流，8是转矩阶段绕组电流，i_a1+、i_a2+、i_a3+、i_a4+分别为A相4个绕组流入的电流，i_a1-、i_a2-、i_a3-、i_a4-分别A相为4个绕组流出的电流，α、β表示直角坐标系的两个方向。

具体实施方式

下面结合附图，进一步具体说明本发明提出的一种复合结构无轴承开关磁阻电机及其控制方法：

如图1所示：一种复合结构无轴承开关磁阻电机，包括转矩定子，悬浮力定子，转矩转子，悬浮力转子和绕组；所述的转矩定子和悬浮力定子轴向叠加在一起合成一个定子，叠加时两个定子齿极中心对齐，且所述两个定子齿数均为12；定子齿上绕有一个绕组，转矩定子和悬浮力定子共用一个绕组，绕组形式采用集中式绕组；每4个相隔90°的定子齿上的绕组为一相绕组，即每相绕组各有4个绕组，其中α轴方向和β轴方向上个两个，3相12个定子齿的绕组独立控制；转子由转矩转子与悬浮力转子组成，两转子轴向叠加布置在定子内，且转矩定子下方对应转矩转子，两者轴向长度相同；悬浮力定子对应的转子为悬浮力转子，两者轴向长度相等；转矩转子为凸极结构，转子齿数为8，用于产生转矩，悬浮力转子为圆柱结构，用于产生悬浮力；其特征在于，悬浮力定子采用极靴结构（如图3所示），且悬浮力定子极弧角比转矩定子极弧角大，以增大悬浮力的输出，缩短悬浮力转子的轴向长度；通过同时调整转矩转子和转矩定子的轴向长度，以满足不同转矩输出的要求，通过优化设计悬浮力定子的极弧角和调整悬浮力定、转子的轴向长度，以适应不同径向负载需求。图2为复合结构无轴承开关磁阻电机的A相绕组示意图，绕组结构为集中式绕组，B、C相绕组在空间上分别与A相绕组相差30°和-30°。

悬浮和运行原理：以A相为例来说明电机运行原理，设定、转子齿对齐位置为零度角位置；当转子位于[15°，30°]时为悬浮区间，此时电机磁路的磁导最小，电感值最小和恒定，称该区域为最小电感平顶区；转子位于[15°，30°]时，由于悬浮力转子部分的磁路磁阻相对于转矩转子非常小；又因为悬浮力与磁路磁阻成反比，因此转矩转子部分产生的悬浮力相对于悬浮力转子部分可忽略不计，提供电机悬浮的径向力主要由悬浮力转子部分产生。悬浮力控制原理：α方向悬浮力由绕组电流i_a1和i_a3控制，当i_a1>i_a3时，产上α正方向悬浮力，反之，产生α负方向悬浮力；同理，β方向悬浮力由绕组电流i_a2和i_a4控制，当i_a2>i_a4时，产上β正方向悬浮力，反之，产生β负方向悬浮力；α方向和β方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，因此通过4个绕组不对称励磁，可产生任意方向和大小的悬浮力。

为了方便控制悬浮力，各相绕组轮流提供使转子悬浮的径向力，对12/8结构的无轴承开关磁阻电机而言，每相悬浮励磁区间15°，因此，转子位于[0°，15°]和[30°，45°]区间时，分别通过C相和B相不对称励磁，以提供所需悬浮力，这样在转子一个45°周期角内，每时刻都有悬浮力产生，保证了电机转子的稳定悬浮运行。

转子位于[30°，45°]时为电动阶段，此时电感处于上升区域，产生正转矩。当A相悬浮励磁结束时，由于不对称励磁导致A相4个绕组的电流大小不等，因此需要相同的驱动信号控制A相绕组的主功率开关，先使其4个绕组电流相同，然后再利用开关磁阻电机的电流控制方法加以控制，具体的电流控制方法为斩波电流控制或PWM控制或单脉冲控制等。同理，在电感下降区导通时，即为发电运行，控制策略与电动阶段相同。

电机采用不对称半桥结构的功率变换器。12个定子绕组电流需要12个桥臂分别控制，有两种绕组电路组合方式：方式1以三相的相对位置的绕组组成一个主电路；方式2以每相的四个绕组组成一个主电路。

如图4所示，A相绕组产生悬浮力的区域为[15°，30°]，此时A相α方向悬浮力F_α和β方向悬浮力F_β的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\α}}{=k}_f(i_{a1}^2-i_{a3}^2)\\ F_{\mathrm{\β}}=k_f(i_{a2}^2-i_{a4}^2)\\ k_f=\frac{l_{c}r{\mathrm{\β}}_s}{2{\mathrm{\δ}}^2}{N}^2\end{array}\right.$

式中，l_c为悬浮力转子的轴向长度，r为悬浮力转子半径，β_s为悬浮力定子极弧，N为绕组匝数，δ为悬浮力转子部分的气隙长度，k_f为悬浮力系数，与电机结构参数有关。

上述悬浮力表达式显示：悬浮力与转子位置角无关，可实现转矩和悬浮力的解耦控制；悬浮力与悬浮力转子的轴向长度l_c和悬浮力定子极弧β_s成正比，因此可通过调整l_c和优化设计β_s成以改善悬浮力输出。

如图4所示，悬浮阶段绕组电流采用电流斩波控制，且绕组电流被控制为恒值，悬浮电流通过悬浮力计算公式(1)～(11)得到，进而由功率变换器跟踪实现计算值，具体实现过程如图6所示。

控制系统框图如5所示，开通关断角由实际转速与给定转速的差值经PI调节器输出，而电涡流传感器检测出转轴的实际位移与其给定值的差值经PID调节器，输出径向力的给定值，经励磁电流控制算法计算出每相四个绕组电流的给定值，从而通过励磁绕组逆变器的电流跟踪控制，实现悬浮电流的实时跟踪，以达到实时控制悬浮力的目的。

公式表

注：三相分配计算公式为式(1)～(6)；上述公式中符号意义：F_aα——分配到A相α轴上的悬浮力、F_aβ——分配到A相β轴上的悬浮力、F_bα——分配到B相α轴上的悬浮力、F_bβ——分配到B相β轴上的悬浮力、F_cα——分配到C相α轴上的悬浮力、F_cβ——分配到C相β轴上的悬浮力、i_s——悬浮电流、Δi_s1和Δi_s2分别为α、β方向上励磁电流差、k_f为悬浮力系数、其中下标f代表悬浮力。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (3)

1.一种复合结构无轴承开关磁阻电机，其特征在于：包括转矩定子（1），悬浮力定子（2），转矩转子（3），悬浮力转子（4），绕组（5）；所述的转矩定子（1）和悬浮力定子（2）轴向叠加在一起合成一个定子，叠加时两个定子齿极中心对齐、且所述两个定子齿数均为12；定子齿上绕有一个绕组（5）穿越转矩定子（1）和悬浮力定子（2），绕组形式采用集中式绕组；转子由转矩转子（3）与悬浮力转子（4）组成，转矩转子（3）与悬浮力转子（4）轴向叠加布置在定子内，且转矩定子（1）下方为转矩转子（3），两者轴向长度相同，悬浮力定子（2）对应的转子为悬浮力转子（4），两者轴向长度相同；转矩转子（3）为凸极结构，转子齿数为8，用于产生转矩，悬浮力转子（4）为圆柱结构，用于产生悬浮力；所述悬浮力定子（2）采用极靴结构，且悬浮力定子（2）极弧角大于转矩定子（1）极弧角。

2.如权利要求1所述复合结构无轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，步骤如下：

1）、利用每相绕组的最小电感平顶区域作为产生该相悬浮力的区域，且每相悬浮励磁区间均为15°；

2）、通过对α轴方向上两个绕组不对称励磁，产生悬浮力α轴方向悬浮力，通过对β轴方向上两个绕组不对称励磁，产生悬浮力β轴方向悬浮力；

3）、利用每相绕电感上升或下降区域产生转矩，以实现电机电动或发电运行；每时刻需两相绕组同时导通，一相绕组在最小电感平顶区内，通过不对称励磁产生悬浮力，悬浮导通区间为15°，而另一相绕组在电感上升或下降区域，通过对称励磁产生转矩；

4）、通过调节每相绕组电流及其开通关断角实现转速闭环，通过检测转子径向位移经PID调节器输出转子悬浮所需的径向力，实现转子径向位移闭环控制。

3.如权利要2所述的一种复合结构无轴承开关磁阻电机控制方法，其特征在于，悬浮励磁区间的绕组电流控制方法采用斩波电流控制，且电流控制为恒值；转矩励磁区间的电流控制方法采用斩波电流控制或者PWM控制或者单脉冲控制。