CN103441630B - 一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，集1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机和2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机于一体，包括径向磁场电机定子铁心（1）、径向磁场电机转子铁心（2）、轴向磁场电机转子铁心（3）、径向磁场电机绕组（4）、轴向磁场定子铁心（5）和轴向磁场电机绕组（6）。集无轴承电机和轴向磁悬浮轴承功能于一体，集成化高，结构上径向悬浮力、轴向悬浮力和转矩之间完全解耦，控制方法简单，悬浮性能好，转矩脉动小，功率密度高，高速适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，属于无轴承开关磁阻电机和磁悬浮轴承领域。
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。以定子上绕组的个数多少分类，有单绕组无轴承开关磁阻电机和双绕组无轴承开关磁阻电机。二者的控制策略有所不同，但其悬浮力和转矩产生的机理是相同的，均为通过控制绕组电流大小不同，以形成一个不对称磁通，进而产生方向和大小可控的径向悬浮力，从而使电机具有旋转和自悬浮能力。相对于双绕组无轴承开关磁阻电机，单绕组无轴承开关磁阻电机定子仅有一套绕组，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。
转矩和悬浮力之间存在着强耦合，且很难在控制策略和数学模型中实现二者的解耦，是无轴承开关磁阻电机运行性能难以提高的主要因素之一。另外，因悬浮力控制所需，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斩波控制，即会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，并降低了悬浮精度。
无轴承电机若要实现五自由度悬浮运行，至少需要1个轴向磁悬浮轴承与其配合使用。轴向磁轴承势必会增加悬浮电机系统的轴向长度和控制的复杂度，进而降低临界转速和功率密度。因此，在实现转矩和悬浮力解耦控制的基础上，实现无轴承电机和轴向磁轴承的集成化已成为磁悬浮电机领域的研究热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提出一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，本电机转矩脉动小、悬浮力和转矩在结构上完全解耦，具有高速适应性强、高功率密度的特点。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，由1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机和2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机集成而成，三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机包括径向磁场电机定子、径向磁场电机转子和径向磁场电机绕组，三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机包括轴向磁场电机定子、轴向磁场电机转子和轴向磁场电机绕组；其中径向磁场电机定子与径向磁场电机绕组通过卡槽相连，径向磁场电机绕组又与径向磁场电机转子相连，径向磁场电机转子两端各与一个轴向磁场电机转子相连，每个轴向磁场电机转子外侧各接一个轴向磁场电机绕组，每个轴向磁场电机绕组外侧各接一个轴向磁场电机定子。
作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述的1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机和所述的2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机的定子极弧角相等，3个转子极弧角也相等，且转子极弧大定子极弧30°，以形成30°宽的最大电感平顶区。
作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述的1个三相12/4径向磁场无轴承开关磁阻电机和所述的2个三相12/4轴向磁场无轴承开关磁阻电机的定子均为12极结构，且3个电机定子齿上各有一套绕组。
作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，根据权利要求1所描述的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于所述的三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机的定子和转子轴向长度相等，所述的2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机所有电机结构参数相等，且轴向磁场电机的定子和转子外径相等。
作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机中所有的定子齿上的绕组采用集中式绕组，其中径向磁场电机定子的每4个相隔90°的定子齿上的绕组为一相，3相共12个绕组，每相绕组具有两种工作模式：悬浮力控制模式和转矩控制模式，且每相4个绕组独立控制，轴向磁场电机定子的每4个相隔90°的定子齿上的绕组串联为一相，且每12个定子齿的绕组分别构成3相3个绕组串。
作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的转动部分由3个凸极转子组成，转子齿数均为4，具体为1个径向磁场电机转子和2个轴向磁场电机转子通过轴向叠压而成。
作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述的径向磁场电机转子位于2个轴向磁场电机转子之间。
作为本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的进一步优化方案，所述的轴向磁场电机转子和径向磁场电机转子齿极相互错开的角度为10°到20°。
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)集无轴承电机与轴向磁悬浮轴承功能于一体，集成化高；
(2)结构上径向悬浮力、轴向悬浮力和转矩之间完全解耦，控制方法简单，悬浮性能好；
(3)转矩无死区，脉动小，功率密度高，高速适应性强。
附图说明
图1是本发明的12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的三维结构剖视图；
附图标记说明：1-径向磁场电机定子、2-径向磁场电机转子、3-轴向磁场电机定子、4-径向磁场电机绕组、5-轴向磁场电机绕组、6-轴向磁场电机转子；
图2是12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机中的三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机的A相绕组示意图；
图3是12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机中的2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机的A相绕组示意图；
图4是12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的绕组电感及电流与转子位置角的变化曲线图；
图5是两个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机的轴向悬浮和运行原理图。
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：
如图1所示，本发明中提出的一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图，集成了1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机和2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电，其中1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机(以下简称径向电机)包括径向磁场电机定子1、径向磁场电机转子2和径向磁场电机绕组4，2个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机(以下简称轴向电机)分别包括轴向磁场定子3、轴向磁场电机转子6和轴向磁场电机绕组5；所述1个径向磁场无轴承开关磁阻电机和2个轴向磁场无轴承开关磁阻电机的定子均为12齿凸极结构，2个轴向磁场电机定子3置于径向磁场电机定子2的两端，且3个定子齿极中心处于重合位置，并通过其他固定装置连在一起；转子由1个径向磁场电机转子2和2个轴向磁场电机转子6通过轴向叠压而成，径向磁场电机转子2位于2个轴向磁场电机转子6之间，且2个轴向磁场电机转子6和径向磁场电机转子2齿极在空间上相互错开一定角度(10°～20°)，其中径向磁场电机转子2放置于径向磁场电机定子1的内部，而2轴向磁场电机转子6分别正对于2个轴向磁场电机定子3；三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机的定子和转子轴向长度相等，2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机所有电机结构参数相等，且三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机所的定子和转子外径相等。
3个电机的每个定子齿上仅绕有一套绕组，绕组形式采用集中式绕组，其中径向电机的每4个相隔90°的定子齿上的绕组为一相，3相共12个绕组，且每相4个绕组独立控制，2轴向电机的每4个相隔90°的定子齿上的绕组串联为一相，且2轴向电机各自12个定子齿的绕组分别构成3相3个绕组串。图2和图3分别给出了3个电机的相绕组结构示意图，B、C相与A相绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30°和-30°所述的12/4极结构三自由度磁悬浮开关磁阻电机中的1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机和2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机的定子极弧角相等，3个转子极弧角也相等，且转子极弧大定子极弧30°，以形成30°宽的最大电感平顶区(如图4和图5所示)，并利用该最大电感平顶区作为悬浮励磁区间；径向磁场电机用于产生转矩和径向悬浮力，即径向磁场电机用于径向2自由度悬浮和产生转矩，而2个轴向电机用于产生转矩和轴向悬浮力，即2轴向电机用于轴向1自由度悬浮，同样也产生转矩。
径向电机和2个轴向电机同时需励磁导通两相绕组，一相绕组在电感上升或下降区域励磁导通产生正转矩或负转矩，另一相绕组处于最大电感平顶区内导通，用于产生悬浮力，且三相绕组依次导通产生悬浮力，每相绕组悬浮励磁导通周期角为30°，这样每相绕组均有两种工作模式，一是悬浮力控制模式，二是转矩控制模式，两种模式的导通区间不同，且无重叠；径向电机每相4个绕组独立控制，通过对4个绕组不对称励磁，产生径向悬浮力，通过对称励磁产生转矩；2个轴向电机处于同一空间位置的两相需同时励磁导通，通过对这两相不对称励磁产生轴向悬浮力，通过对称励磁产生转矩；基于上述控制方式，通过控制径向磁场电机绕组4的电流，分时分区域产生径向悬浮力和转矩，二者可实现完全解耦；通过控制2个轴向磁场电机绕组5的电流，使两个轴向气隙磁通不对称，进而分时分区域产生轴向悬浮力和转矩，仍可实现二者的解耦控制。
由于2个轴向磁场电机转子6和径向磁场电机转子2齿极在空间上相互错开一定角度(10°～20°)，导致径向电机产生的转矩与2个轴向电机产生的转矩在空间上也相互错开相同角度，最终使得径向电机和2个轴向电机的转矩相互补充，合成转矩具有无死区、且脉动小的特点。
下面结合图4和图5来具体悬浮12/4极结构三自由度磁悬浮开关磁阻电机悬浮和运行原理。定义定子齿与转子齿对齐位置为零度位置，即为对齐位置，对三相12/4极无轴承开关磁阻电机而言，一个转子周期角为90°，因此电机每相绕组悬浮导通的区间为30°，这样才能保证电机的稳定悬浮运行。
以三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机的A相为例，来说明径向悬浮和运行原理。转子位于[-45°，-15°]时为电动阶段，此时电感处于上升区域，产生正转矩。当转子处于-45°位置时，径向电机A相绕组开始导通，产生正转矩，该区域的控制策略与开关磁阻电机相同，具体的电流控制方法采用斩波电流控制或PWM控制或单脉冲控制等。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。
转子位于[-15°，15°]时为悬浮阶段，此区间内电机绕组电感最大且恒定，此阶段电机产生的悬浮力最大，且不产生转矩，故可实现径向悬浮力和转矩的解耦控制。具体径向悬浮力控制原理为：α方向径向悬浮力由绕组电流ia1和ia3控制，当ia1>ia3时，产上α正方向径向悬浮力，反之，产生α负方向径向悬浮力；同理，β方向悬浮力由绕组电流ia2和ia4控制，当ia2>ia4时，产上β正方向径向悬浮力，反之，产生β负方向径向悬浮力；α方向和β方向径向悬浮力可合成任意方向的径向悬浮力，因此通过4个绕组不对称励磁，可产生任意径向方向和大小的悬浮力，进而实现电机在[-15°，15°]区间的自悬浮功能。同理，[-45，-15°]和[15°，45°]区间的径向悬浮力可分别由B相和C相绕组产生，进而实现整个转子周期内的径向悬浮运行。
下面结合图5来说明两个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机的轴向悬浮和运行原理。由于2个轴向磁场电机转子6齿极中心与径向磁场电机转子2超前15°，因此轴向磁场电机绕组5电感与径向磁场电机绕组4电感在位置上超前15°，如图4和图5所示；转子位于[-60°，-30°]时为电动阶段，此时电感处于上升区域，产生正转矩。当转子处于-60°位置时，两个轴向磁场电机的A相绕组开始导通，并且对称励磁，产生正转矩，不产生轴向悬浮力，该区域的控制策略与开关磁阻电机相同，具体的电流控制方法采用斩波电流控制或PWM控制或单脉冲控制等。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。
转子位于[-30°，0°]时为悬浮阶段，此区间内轴向电机绕组电感最大且恒定，此阶段电机产生的悬浮力最大，且不产生转矩，故可实现轴向悬浮力和转矩的解耦控制。具体径向悬浮力控制原理为：当iza1>iza2时，产上Z轴正方向轴向悬浮力，反之，产生Z轴负方向轴向悬浮力；因此通过对这2个轴向磁场电机的不对称励磁，可产生任意大小和方向可控的轴向悬浮力，从而实现轴向的稳态悬浮；通过在电感上升或下降区域对称励磁，以产生正或负转矩；同理，[-60，-30°]和[0°，30°]区间的轴向悬浮力可分别由B相和C相绕组产生，进而实现整个转子周期内的轴向悬浮运行。
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 (7)
1.一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，由1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机和2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机集成而成，三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机包括径向磁场电机定子（1）、径向磁场电机转子（2）和径向磁场电机绕组（4），三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机包括轴向磁场电机定子（3）、轴向磁场电机转子（6）和轴向磁场电机绕组（5）；其中径向磁场电机定子（1）与径向磁场电机绕组（4）通过卡槽相连，径向磁场电机绕组（4）又与径向磁场电机转子（2）相连，径向磁场电机转子（2）两端各与一个轴向磁场电机转子（6）相连，每个轴向磁场电机转子（6）外侧各接一个轴向磁场电机绕组（5），每个轴向磁场电机绕组（5）外侧各接一个轴向磁场电机定子（3）；
所述的1个三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机和所述的2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机的定子极弧角相等，3个转子极弧角也相等，且转子极弧大定子极弧30°，以形成30°宽的最大电感平顶区；并利用该最大电感平顶区作为悬浮励磁区间；通过控制径向磁场电机绕组的电流，分时分区域产生径向悬浮力和转矩，二者可实现完全解耦；通过控制2个轴向磁场电机绕组的电流，使两个轴向气隙磁通不对称，进而分时分区域产生轴向悬浮力和转矩，仍可实现二者的解耦控制。
2.根据权利要求1所述的一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述的1个三相12/4径向磁场无轴承开关磁阻电机和所述的2个三相12/4轴向磁场无轴承开关磁阻电机的定子均为12极结构，且3个电机定子齿上各有一套绕组。
3.根据权利要求1所述的一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述的三相12/4极径向磁场无轴承开关磁阻电机的定子和转子轴向长度相等，所述的2个三相12/4极轴向磁场无轴承开关磁阻电机所有电机结构参数相等，且轴向磁场电机的定子和转子外径相等。
4.根据权利要求1所述的一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机中所有的定子齿上的绕组采用集中式绕组，其中径向磁场电机定子（1）的每4个相隔90°的定子齿上的绕组为一相，3相共12个绕组，每相绕组具有两种工作模式：悬浮力控制模式和转矩控制模式，且每相4个绕组独立控制，轴向磁场电机定子（3）的每4个相隔90°的定子齿上的绕组串联为一相，且每12个定子齿的绕组分别构成3相3个绕组串。
5.根据权利要求1所述的一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的转动部分由3个凸极转子组成，转子齿数均为4，具体由1个径向磁场电机转子（2）和2个轴向磁场电机转子（6）通过轴向叠压而成。
6.根据权利要求1所述的一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述的径向磁场电机转子（2）位于2个轴向磁场电机转子（6）之间。
7.根据权利要求1所述的一种12/4极结构的三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述的轴向磁场电机转子（6）和径向磁场电机转子（2）齿极相互错开的角度为10°到20°。
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