CN103337938A - 一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法 - Google Patents
一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公布了一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法，该电机由12个齿极的定子和4个齿极的转子组成，定子每极独立各绕一套励磁绕组，转子无绕组，转子齿比定子齿宽30°使每相电感存在1/3周期的最大电感平顶区。电动运行时，同时导通处于电感上升区和电感平顶区的两相，电感上升区一相产生转矩，电感平顶区一相产生悬浮力；在发电运行时，只导通处于电感平顶区的一相，该相四套绕组单独控制，产生悬浮力并为发电阶段提供励磁，随后在电感下降区续流发电。本方法对悬浮力和转矩分区域控制，实现悬浮力和转矩解耦，简化控制算法，提高了电机的径向承载力和高速适应性，结构有一般性和推广性，将使无轴承开关磁阻电机领域取得新进展。
Description
技术领域
本发明涉及一种12/4极单绕组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技术领域。
背景技术
开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、成本低和高速适应性等特点，在航空航天、军事、民用等领域得到了广泛地应用，集磁轴承和电机功能于一体的无轴承开关磁阻电机（以下简称BSRM）在实现悬浮运行的同时，体积和重量大为减小，提高了功率密度。由于集旋转和悬浮的双重功能于一身，BSRM的高速适应性得到进一步提高，在航空航天和军事领域具有更好的应用优势，在双绕组BSRM的基础上，将两套绕组等效为一套绕组并同时产生转矩和悬浮力，发展为单绕组BSRM技术，使电机结构得到简化，控制方式更加灵活，但是对于传统的12/8极单绕组BSRM，其悬浮力和转矩在产生机理上存在耦合。为了提高电机的运行性能，所需的控制算法相当复杂，另外，当电机转速上升到一定程度后，由于变压器电势和运动电势的双重驱动，励磁电流将不会随主开关管的关断而下降，出现斩波失效的现象，从而影响悬浮力的实时控制效果，严重时将导致无轴承电机的悬浮失稳。
发明内容
本发明针对背景技术的缺陷，提出了一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法，主要为了实现电机悬浮力和转矩在产生机理上的解耦，简化控制算法，减小运动电势对励磁电流控制的影响，实现对瞬时悬浮力更稳定的控制（类似于磁悬浮轴承技术），从而增加径向承载力，提高无轴承电机的运行转速，增强电机的高速适应性，以期在无轴承开关磁阻电机的电动和发电技术领域取得新的突破。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法，电机包括一个12齿极的定子和一个4齿极的转子，转子位于定子中间，其中定子每极独立各绕一套励磁绕组，转子上无绕组，电机的转子齿比定子齿宽30°，构造了1/3周期的电感最大平顶区，实现悬浮力和转矩在产生机理上的解耦；
控制方法：定子12套绕组分别独立控制，每套绕组电流单向导通。在电动运行时，导通同时处于电感上升区和电感平顶区的两相，其中在电感上升区导通的一相通过对称励磁（控制四套绕组电流相同）产生转矩，在电感平顶区导通的另一相通过不对称励磁产生悬浮力；在发电运行时，只导通处于电感平顶区的一相，单独控制该相四套绕组电流产生悬浮力并为发电阶段提供励磁，随后进入电感下降区续流发电，此时另一相进入电感平顶区并重复上述的控制方法；处于发电运行阶段时，在邻近悬浮力产生区间结束前将四套励磁电流斩波控制为相同幅值，避免在发电区间内各发电绕组电流的不平衡。
作为本发明的进一步推广方案，所述的通过电机转子齿比定子齿宽一定角度构造最大电感平顶区的特点同样适用其它类似结构如16/4极电机。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1）相较于现有的电机，很好地解决了电机悬浮力和转矩的解耦，实用性更强；
2）可以简化控制算法，控制简单；
3）运行速度高，电机有很强的的高速适应性；
4）构思新颖，设计巧妙，适合推广。
附图说明
图1是12/4极无轴承开关磁阻电机的剖面示意图。图中1、4、7、10号绕组组成A相，2、5、8、11号绕组组成B相，3、6、9、12号绕组组成C相；
图2是12/4极无轴承开关磁阻电机三相自感分布的有限元仿真图。图中定义其定子齿极中轴线与转子齿槽中轴线对齐位置为转角零度位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机，其结构如图1所示，由 12个齿极的定子和4个齿极的转子组成，其中定子每极独立各绕一套励磁绕组，转子上无绕组，12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机的转子齿比定子齿宽30°。
该12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法说明如下：
1. 定子绕组的控制器和电流导通方式：12套绕组分别独立控制，每套绕组电流单向导通，选择不对称半桥电路作为主绕组功率变换器的电路拓扑。
2. 当电动运行时，在转角θ∈[0，30°]内（图2中的I区），先导通处于电感上升区和电感平顶区的两相，即图2中的A相和C相，A相处于电感上升区时，以相同的驱动信号开通A相绕组的开关管，使其四套绕组电流相同，从而产生电机转矩。具体的电流控制方法可采用传统SRM的控制方法（即电流斩波控制、PWM控制和单脉冲控制）。此时的C相处于电感平顶区，悬浮力则由C相的四套绕组不对称励磁产生。在θ∈[30°，60°]内（图2中II区），继续导通处于电感上升区和电感平顶区的两相，即B相和A相，A相处于电感平顶区，因此可通过对A相四套绕组的不对称励磁产生作用于转子的径向力，此时的转矩则由B相的四套绕组励磁产生，从而进入B相的励磁周期。按图2中的三相电感分布依次导通，因此在电动运行时绕组的励磁相序为AC-BA-CB。
3. 当发电运行时，只导通处于电感平顶区的一相，在θ∈[30°，60°]内（图2中II区），此时A相处于电感平顶区，独立控制A相四套绕组电流，通过对四套绕组的不对称励磁产生作用于转子的径向力，同时为随后的发电阶段提供励磁；当θ =60°时，关断四套绕组主开关，A相进入续流发电阶段，此时B相进入电感平顶区，通过不对称励磁产生使转子悬浮的径向力，同时为其随后的发电阶段提供励磁，C相进入电感平顶区后遵循A相和B相的工作过程，因此在发电运行时绕组的励磁相序为A-B-C。
由于在悬浮区间励磁电流的不对称性，将导致发电电流的不平衡分布，这将增加悬浮力控制的难度。因此在邻近悬浮力产生区间结束前将四套励磁电流斩波控制为相同幅值，从而避免在发电区间内各发电绕组电流的不平衡。
4. 基于12/4极单绕组BSRM的结构和原理，可以得出“构造电感平顶区”是电机悬浮力和转矩在产生机理上有效解耦的主要原因。因此通过设计一定的定、转子齿极重合宽度，均可实现无轴承开关磁阻电机悬浮力和转矩的解耦，如16/4极结构。
Claims (2)
1.一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机，其特征在于：包括一个12齿极的定子和一个4齿极的转子，转子位于定子中间，其中定子每极独立各绕一套励磁绕组，转子上无绕组，电机的转子齿比定子齿宽30°，构造了1/3周期的电感最大平顶区，实现悬浮力和转矩在产生机理上的解耦。
2.一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于：定子12套绕组分别独立控制，每套绕组电流单向导通；在电动运行时，导通同时处于电感上升区和电感平顶区的两相，其中在电感上升区导通的一相通过对称励磁（控制四套绕组电流相同）产生转矩，在电感平顶区导通的另一相通过不对称励磁产生悬浮力；在发电运行时，只导通处于电感平顶区的一相，单独控制该相四套绕组电流产生悬浮力并为发电阶段提供励磁，随后进入电感下降区续流发电，此时另一相进入电感平顶区并重复上述的控制方法；处于发电运行阶段时，在邻近悬浮力产生区间结束前将四套励磁电流斩波控制为相同幅值，避免在发电区间内各发电绕组电流的不平衡。
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