CN106130411B - 一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机及解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机及其解耦控制方法，包括外转子铁心(1)和定子铁心(4)，所述外转子铁心(1)和定子铁心(4)以同心方式依次嵌套；所述外转子铁心(1)由凸极转子(2)和圆柱形转子(3)轴向复合而成；所述凸极转子(2)内壁上等间隔设置8个转子凸极，每个转子凸极上均无绕组；所述定子铁心(4)外壁等间隔设置12个定子凸极(5)，每个定子凸极上绕有一套定子绕组(6)。本发明实施例能够实现电动/发电功能与径向悬浮功能的解耦控制，并增强飞轮转子强度，缩小整机体积，改善系统的动力特性和稳定性，进一步发挥磁悬浮开关磁阻电机的高速适应的特性。

Description

一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机及解耦控制方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮电机技术领域，特别地，涉及一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机及解耦控制方法。

背景技术

磁悬浮开关磁阻电机是通过改变开关磁阻电机原有的磁场分布，产生作用于转子上的可控的悬浮力，从而将转子悬浮于空间，可以在保留开关磁阻电机性能优点的基础上，进一步消除机械轴承带来的摩擦损耗，且无需润滑装置。它可以高速及超高速电动或发电运行，在工业、化工、生物以及军工等诸多领域均具有广阔的应用前景。以磁悬浮开关磁阻电机作为飞轮电机，可以有效缩小飞轮系统的体积和重量，尤其适用于飞轮惯量较小，但对系统体积和重量要求严格的场合。

根据每个定子凸极上的绕组套数，磁悬浮开关磁阻电机可以分为双绕组结构和单绕组结构两种形式。其中双绕组磁悬浮开关磁阻电机是在原普通开关磁阻电机的定子凸极上增加一套悬浮力绕组，通过控制两套绕组电流来改变电机的气隙磁场分布，从而产生使转子旋转和自悬浮所需的转矩和径向悬浮力。单绕组磁悬浮开关磁阻电机则是在不改变原来开关磁阻电机结构的基础上，通过合理控制每个定子凸极上的绕组电流大小，以产生转矩和径向悬浮力。单绕组磁悬浮开关磁阻电机未改变原开关磁阻电机的结构，更具有通用性和实用性，已经成为了目前该领域的研究热点和发展趋势。

根据转子与定子的相对位置，磁悬浮开关磁阻电机可以分为传统的内转子结构和新型的外转子结构两种形式。其中外转子磁悬浮开关磁阻电机的转子安装在定子外侧，作为飞轮电机使用时，可以将电机转子叠压封装在飞轮内侧，电机转子与飞轮合二为一，可以增强飞轮转子强度，缩小整体体积，改善系统的动力特性和稳定性。但是磁悬浮开关磁阻电机的转矩和悬浮力之间存在复杂的耦合关系，很难在控制策略和数学模型中实现二者的完全解耦，限制了电机性能的提高，已经成为了制约其进入工程应用的主要瓶颈。

例如：目前已有方案通过采用双相导通方式，选择电感较大的一相作为悬浮相以产生较大悬浮力，选择电感较小的一相作为旋转相以产生正转矩。但是在该方案中，为了保证产生较大的悬浮力，需要将悬浮相的导通区间限制在电感较大的区域，悬浮相会产生较大的正负转矩，引起转矩波动，影响转速控制效果，仍存在较大的相间耦合。

例如：目前也有方案通过改进转子由转矩转子与悬浮力转子轴向叠加组成，径向承载力大；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。但是复合转子带负载运行时，容易增加轴向长度，增大整机体积，影响了系统的机械强度，限制了临界转速的提高，不利于发挥磁悬浮电机的告诉适应性。

发明内容

本发明的实施例提供了一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机及解耦控制方法，克服上述现有技术的不足，实现电动/发电功能与径向悬浮功能的解耦控制，并增强飞轮转子强度，缩小整机体积，改善系统的动力特性和稳定性，以进一步发挥磁悬浮开关磁阻电机的高速适应的特性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括：外转子铁心(1)和定子铁心(4)；所述外转子铁心(1)和定子铁心(4)以同心方式依次嵌套；所述外转子铁心(1)由凸极转子(2)和圆柱形转子(3)轴向复合而成；所述凸极转子(2)内壁上等间隔设置8个转子凸极，每个转子凸极上均无绕组；所述定子铁心(4)外壁等间隔设置12个定子凸极(5)，每个定子凸极上绕有一套定子绕组(6)。定子绕组负责根据需要而产生电磁转矩和径向悬浮力。具体地，根据作用在混合外转子上的转矩、磁拉力与定子绕组电流的关系，通过合理控制绕组电流的大小，即可产生所需的电磁转矩和径向悬浮力。在本发明实施例中，凸极转子(2)在定子绕组(6)作用下产生电磁转矩，圆柱形转子(3)在定子绕组(6)作用下产生径向悬浮力。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述定子绕组(6)相互之间不串接，径向相对的四个定子绕组构成一相，一共分为三相。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述定子凸极和所述转子凸极的极宽均为15°。

第二方面，本发明的实施例提供一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机解耦控制方法，采用双相导通解耦，在电机运行过程中，所述定子绕组(6)构成的三相中有两相同时导通；所述导通的两相，其中一相工作在悬浮励磁区，另一相工作在转矩励磁区。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述悬浮励磁区在每一相定子绕组(6)的最小相电感平底区，通过所述相内四极定子绕组(6)的不对称励磁，产生所需的径向悬浮力；

所述转矩励磁区在每一相定子绕组(6)的相电感上升区或相电感下降区，通过所述相内四极定子绕组(6)的对称励磁，可分别产生正电磁转矩或负电磁转矩，实现电机电动或发电运行。

本发明实施例提供的一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机及解耦控制方法采用双相导通解耦控制策略，能够有效削弱电磁转矩和径向悬浮力的耦合，减少了控制器设计的难度；具有全转子位置角的径向悬浮能力，显著提升径向负载能力，改善径向悬浮性能；将电机转子叠压封装在飞轮内侧，缩小整机体积，有利于改善系统的动力特性；绕组结构简单，有利于提高绕组利用率。悬浮励磁区内，绕组电感基本维持恒定，相应的运动电动势近似为零，可以解决传统磁悬浮开关磁阻电机在高速运行时悬浮电流不易跟踪及斩波控制的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机分解结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机的定子绕组示意图；

图4为本发明实施例所述一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机的定子绕组相电感关于转子位置角的变化曲线示意图；

图5为本发明实施例所述一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机的双相导通解耦控制运行区间示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明的实施例提供了一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机及解耦控制方法，实现电动/发电功能与径向悬浮功能的解耦控制，并增强飞轮转子强度，缩小整机体积，改善系统的动力特性和稳定性，以进一步发挥磁悬浮开关磁阻电机的高速适应的特性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机，如图1和图2所示。图1为本发明一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机结构示意图，图2是分解结构示意图。如分解结构如图2所示，包括：外转子铁心(1)和定子铁心(4)；所述外转子铁心(1)和定子铁心(4)以同心方式依次嵌套；所述外转子铁心(1)由凸极转子(2)和圆柱形转子(3)轴向复合而成；所述凸极转子(2)内壁上等间隔设置8个转子凸极，每个转子凸极上均无绕组；所述定子铁心(4)外壁等间隔设置12个定子凸极(5)，每个定子凸极上绕有一套定子绕组(6)。定子绕组负责根据需要而产生电磁转矩和径向悬浮力。在本发明实施例中，凸极转子(2)在定子绕组(6)作用下产生电磁转矩，圆柱形转子(3)在定子绕组(6)作用下产生径向悬浮力。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，如图3所示，所述定子绕组(6)相互之间不串接，径向相对的四个定子绕组构成一相，一共分为三相。具体地，如图3所示，其中：A1、A2、A3、A4构成A相定子绕组，分别位于x和y轴的正、负方向；B1、B2、B3、B4构成B相定子绕组；C1、C2、C3、C4构成C相定子绕组。根据作用在混合外转子上的转矩、磁拉力与定子绕组电流的关系，通过合理控制绕组电流的大小，即可产生所需的电磁转矩和径向悬浮力。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述定子凸极和所述转子凸极的极宽均为15°。

第二方面，本发明的实施例提供一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机解耦控制方法，采用双相导通解耦，在电机运行过程中，所述定子绕组(6)构成的三相中有两相同时导通；所述导通的两相，其中一相工作在悬浮励磁区，另一相工作在转矩励磁区。

如图4所示，本发明所述一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机的定子绕组相电感关于转子位置角的变化曲线示意图，一个相电感周期为45°。定义外转子齿槽中心与A相定子凸极齿重合处为转子位置角θ的零度位置，转速以顺时针方向为正。在转子旋转过程中，当转子后沿刚好与定子前沿重合时，θ＝-22.5°；当转子前沿刚好与定子前沿重合时，θ＝22.5°。

当该飞轮电机运行于电动状态时，定子绕组导通规则见表1，在-22.5°≤θ<-7.5°区间，以B相作为悬浮励磁相，以C相作为转矩励磁相；在-7.5°≤θ<7.5°区间，以A相作为悬浮励磁相，以B相作为转矩励磁相；在7.5°≤θ<22.5°区间，以C相作为悬浮励磁相，以A相作为转矩励磁相。

表1：定义该飞轮电机电动运行时的定子绕组励磁区间选择

当该飞轮电机运行于发电状态时，定子绕组导通规则见表2。在-22.5°≤θ<-7.5°区间，以B相作为悬浮励磁相，以A相作为转矩励磁相；在-7.5°≤θ<7.5°区间，以A相作为悬浮励磁相，以C相作为转矩励磁相；在7.5°≤θ<22.5°区间，以C相作为悬浮励磁相，以B相作为转矩励磁相。

表2该飞轮电机发电运行时的定子绕组励磁区间选择

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述悬浮励磁区在每一相定子绕组(6)的最小相电感平底区，通过所述相内四极定子绕组(6)的不对称励磁，产生所需的径向悬浮力；

所述转矩励磁区在每一相定子绕组(6)的相电感上升区或相电感下降区，通过所述相内四极定子绕组(6)的对称励磁，可分别产生正电磁转矩或负电磁转矩，实现电机电动或发电运行。

图5为本发明实施例所述一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机的双相导通解耦控制方法运行区间示意图。本实施例采用双相导通解耦控制方法，即在所述电机运行过程中的任何时刻均有两相绕组同时导通，其中一相工作在悬浮励磁区，另一相工作在转矩励磁区。对每一相绕组而言，以最小相电感平底区作为该相的悬浮励磁区，通过不对称励磁后产生径向悬浮力；以相电感上升区或下降区作为该相的转矩励磁区，通过对称励磁后分别产生正电磁转矩或负电磁转矩，实现电机电动或发电运行。

转矩励磁区负责转矩输出功能，该复合外转子磁悬浮开关磁阻飞轮电机电动运行时，以相电感上升区作为转矩励磁区，通过对称励磁后分别产生正电磁转矩，与飞轮实际转向相同，带动飞轮做加速运动，飞轮系统充电；该复合外转子磁悬浮开关磁阻飞轮电机发电运行时，以相电感下降区作为转矩励磁区，通过对称励磁后分别产生负电磁转矩，与飞轮实际转向相反，带动飞轮做减速运动，飞轮系统放电。

具体地，当该飞轮电机运行于电动状态时，在-22.5°≤θ<-7.5°区间时以C相作为转矩励磁相，在-7.5°≤θ<7.5°区间时以B相作为转矩励磁相，在7.5°≤θ<22.5°区间时以A相作为转矩励磁相；反之，当该飞轮电机运行于发电状态时，在-22.5°≤θ<-7.5°区间时以A相作为转矩励磁相，在-7.5°≤θ<7.5°区间时以C相作为转矩励磁相，在7.5°≤θ<22.5°区间时以B相作为转矩励磁相。

悬浮励磁区负责径向悬浮功能。以A相绕组为例，i_A1和i_A2分别为位于x、y轴正方向的定子绕组电流，i_A3和i_A4分别为x、y轴负方向的定子绕组电流。在A相绕组电感最小的平底区通过i_A1、i_A2、i_A3和i_a4的不对称励磁，产生转子悬浮所需的径向力。具体地，i_A1导通时产生沿x轴正方向的悬浮力，i_A3导通时产生沿x轴负方向的悬浮力；i_A2导通时，产生沿y轴正方向的悬浮力，i_A4导通时产生沿y轴负方向的悬浮力；通过控制x轴方向和y轴方向的悬浮力，即可合成任意方向的悬浮力，从而实现电机转子自悬浮。同理，在B相绕组电感最小的平底区和C相绕组电感最小的平底区，也可以通过不对称励磁产生转子悬浮所需的径向力。

采用本发明实施例提供的一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机及解耦控制方法有益效果是：

(1)有效削弱电磁转矩和径向悬浮力的耦合，减少了控制器设计的难度。

采用双相导通解耦控制策略，悬浮励磁区对应的相电感保持为最小值，励磁后将产生正负对称的电磁转矩，且幅值远小于转矩励磁区产生的电磁转矩，因此悬浮励磁区的平均电磁转矩为零，且引起的转矩波动很小。

(2)具有全转子位置角的径向悬浮能力，显著提升径向负载能力，改善径向悬浮性能。

电机外转子采用凸极转子和圆柱形转子轴向复合的结构，圆柱形转子使得该飞轮电机具有全转子位置角的径向悬浮能力，克服了传统磁悬浮开关磁阻电机在定转子不对齐位置不能有效产生径向悬浮力的弊端。同时，也增大了定子绕组的径向电感分量，增强了径向负载能力，有利于改善径向悬浮性能。

(3)将电机转子叠压封装在飞轮内侧，缩小整机体积，有利于改善系统的动力特性。

混合外转子结构的飞轮电机，可以将电机转子叠压封装在飞轮内侧，使电机转子与飞轮合二为一，可以增强飞轮转子强度，缩小整机体积，有利于增强系统的稳定性，改善系统的动力特性。

(4)绕组结构简单，有利于提高绕组利用率。

定子上仅有一套集中绕组，根据作用在混合外转子上的转矩、磁拉力与定子绕组电流的关系，通过合理控制绕组电流的大小，即可产生所需的电磁转矩和径向悬浮力。电机结构与开关磁阻电机的主体结构类似，更具有通用性和实用性。

(5)悬浮励磁区内，绕组电感基本维持恒定，相应的运动电动势近似为零，可以解决传统磁悬浮开关磁阻电机在高速运行时悬浮电流不易跟踪及斩波控制的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括外转子铁心(1)和定子铁心(4)，其特征在于，所述外转子铁心(1)和定子铁心(4)以同心方式依次嵌套；所述外转子铁心(1)由凸极转子(2)和圆柱形转子(3)轴向复合而成；所述凸极转子(2)内壁上等间隔设置8个转子凸极，每个转子凸极上均无绕组；所述定子铁心(4)外壁等间隔设置12个定子凸极(5)，每个定子凸极上绕有一套定子绕组(6)；

所述定子绕组(6)相互之间不串接，径向相对的四个定子绕组构成一相，一共分为三相；

所述四个定子绕组构成一相，一共分为A、B和C三相；A1、A2、A3和A4四个定子绕组构成A相定子绕组，分别位于x和y轴的正、负方向；B1、B2、B3和B4四个定子绕组构成B相定子绕组；C1、C2、C3和C4四个定子绕组构成C相定子绕组；

所述定子凸极和所述转子凸极的极宽均为15°。

2.一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机解耦控制方法，其特征在于，采用双相导通解耦，在电机运行过程中，所述定子绕组(6)构成的三相中有两相同时导通；导通的两相，其中一相工作在悬浮励磁区，另一相工作在转矩励磁区；

外转子齿槽中心与A相定子凸极齿重合处为转子位置角θ的零度，转速以顺时针方向为正；当该飞轮电机运行于电动状态，在-22.5°≤θ＜-7.5°区间，以B相作为悬浮励磁相，以C相作为转矩励磁相；在-7.5°≤θ＜7.5°区间，以A相作为悬浮励磁相，以B相作为转矩励磁相；在7.5°≤θ＜22.5°区间，以C相作为悬浮励磁相，以A相作为转矩励磁相；

外转子齿槽中心与A相定子凸极齿重合处为转子位置角θ的零度，转速以顺时针方向为正；当该飞轮电机运行于发电状态，在-22.5°≤θ＜-7.5°区间，以B相作为悬浮励磁相，以A相作为转矩励磁相；在-7.5°≤θ＜7.5°区间，以A相作为悬浮励磁相，以C相作为转矩励磁相；在7.5°≤θ＜22.5°区间，以C相作为悬浮励磁相，以B相作为转矩励磁相。

3.根据权利要求2所述的一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机解耦控制方法，其特征在于，所述悬浮励磁区在每一相定子绕组(6)的最小相电感平底区，通过相内四极定子绕组(6)的不对称励磁，产生所需的径向悬浮力；

所述转矩励磁区在每一相定子绕组(6)的相电感上升区或相电感下降区，通过所述相内四极定子绕组(6)的对称励磁，可分别产生正电磁转矩或负电磁转矩，实现电机电动或发电运行。

4.根据权利要求3所述的一种磁悬浮开关磁阻飞轮电机解耦控制方法，其特征在于，i_A1和i_A2分别是位于x、y轴正方向的定子绕组电流，i_A3和i_A4分别是x、y轴负方向的定子绕组电流；在A相绕组电感最小的平底区通过i_A1、i_A2、i_A3和i_A4的不对称励磁，产生使转子悬浮的径向力；

i_A1导通时，产生沿x轴正方向的悬浮力；i_A3导通时，产生沿x轴负方向的悬浮力；i_A2导通时，产生沿y轴正方向的悬浮力，i_A4导通时产生沿y轴负方向的悬浮力；控制x轴方向和y轴方向的悬浮力，可合成任意方向的悬浮力；

在B相绕组电感最小的平底区以及C相绕组电感最小的平底区，分别通过不对称励磁产生转子悬浮所需的任意方向径向力。