CN106385151A - 一种磁悬浮分布励磁双凸极电机及其控制系统 - Google Patents

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周倩云
孟小利
陈志辉
严仰光
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    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/12—Synchronous motors for multi-phase current characterised by the arrangement of exciting windings, e.g. for self-excitation, compounding or pole-changing

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮分布励磁双凸极电机及其控制系统，所述电机包括定子铁心、转子铁心、定转子间气隙、励磁绕组、电枢绕组、x轴悬浮绕组和y轴悬浮绕组；定子铁心包括12n个定子极，转子铁心包括10n个转子极，n取正整数，相邻定子极间的间隙构成定子槽，定子极上缠绕的电枢线圈按产生的反电势最大的原则相连形成所述电枢绕组，定子槽中嵌有绕在定子极上的励磁线圈和悬浮线圈，相邻定子槽中的励磁线圈反向串联构成所述励磁绕组，空间径向相对位置上的悬浮线圈串联后分别形成产生正交的悬浮磁场的x轴悬浮绕组、y轴悬浮绕组，转子极上无绕组。本发明解决了现有磁悬浮电机难以稳定运行、控制方法复杂以及功率器件较多的技术问题。

Description

一种磁悬浮分布励磁双凸极电机及其控制系统
技术领域
本发明属于无轴承电机技术领域，特别涉及了一种磁悬浮分布励磁双凸极电机及其控制系统。
背景技术
磁阻电机因转子上无永磁体和绕组，结构简单，维护方便，适用于高速运行。高速电机运行时，轴承机械损耗大，电机发热严重，导致轴承寿命缩短，电机无法正常运转，可靠性降低，削弱了磁阻电机适宜高速运行的优势。
相比于机械轴承，磁轴承可实现转子无接触运转，具备零机械磨损、无需润滑、使用寿命长、维护成本低等优点。然而磁轴承的控制难度大，系统结构复杂，成本高；且磁阻电机的径向电磁力较大，磁悬浮系统难以稳定运行。
磁悬浮电机是将磁轴承功能与发电或电动功能合为一体的新型电机，空间利用率高，结构紧凑，通过调节悬浮电流，控制电机定转子极间的径向力。磁悬浮电机的类型主要包括磁悬浮异步电机、磁悬浮永磁同步电机和磁悬浮开关磁阻电机。磁悬浮异步电机是最早研究的磁悬浮电机类型，其结构简单，易于弱磁，但悬浮力控制和转矩控制相互耦合，很难实现高速稳定运行。磁悬浮永磁同步电机转子上存在永磁体，高速运行容易导致永磁体脱落，系统安全无法保障。磁悬浮开关磁阻电机特别适合在高温等恶劣条件下运行，且能够实现高速稳定运行，但其悬浮力和转矩存在非线性耦合，增加了悬浮力的控制难度，所需要的功率器件也较多，成本增加。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种磁悬浮分布励磁双凸极电机及其控制系统，悬浮绕组独立控制提供悬浮力，避免了非线性耦合问题，励磁电流和悬浮电流分开控制，实现了电机输出和悬浮力之间的互相解耦，解决了现有磁悬浮电机难以稳定运行、控制方法复杂以及功率器件较多的技术问题。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种磁悬浮分布励磁双凸极电机，包括定子铁心、转子铁心、定转子间气隙、励磁绕组、电枢绕组、x轴悬浮绕组和y轴悬浮绕组；定子铁心包括12n个定子极，转子铁心包括10n个转子极，n取正整数，相邻定子极间的间隙构成定子槽，定子极上缠绕的电枢线圈按产生的反电势最大的原则相连形成所述电枢绕组，定子槽中嵌有绕在定子极上的励磁线圈和悬浮线圈，相邻定子槽中的励磁线圈反向串联构成所述励磁绕组，空间径向相对位置上的悬浮线圈串联后分别形成产生正交的悬浮磁场的x轴悬浮绕组、y轴悬浮绕组，转子极上无绕组。
基于上述技术方案的优选方案，所述转子铁心由齿槽式铁心叠片迭压而成。
基于上述技术方案的优选方案，所述定子铁心位于转子铁心的外部或者内部。
本发明还包括上述磁悬浮分布励磁双凸极电机的控制系统，所述控制系统包括x轴悬浮绕组控制系统和y轴悬浮绕组控制系统，这两个控制系统独立控制x轴悬浮绕组和y轴悬浮绕组，且这两个控制系统均包括悬浮绕组控制电路、位置传感器、悬浮调节器、电流调节器和PWM控制器，位移传感器实时检测转子在x轴方向或y轴方向的实际位移，将给定的转子x轴方向参考位移或y轴方向参考位移与实际位移的差值输入悬浮调节器，得到x轴悬浮绕组的给定电流或y轴悬浮绕组的给定电流，将这给定电流与x轴悬浮绕组的实际电流或y轴悬浮绕组的实际电流的差值经电流调节器输入至PWM控制器中，通过PWM控制器控制悬浮绕组控制电路中各开关管的占空比。
基于上述技术方案的优选方案，所述悬浮绕组控制电路采用全桥逆变电路。
基于上述技术方案的优选方案，所述悬浮调节器采用PI控制器。
采用上述技术方案带来的有益效果：
（1）电机励磁由缠绕在定子极上的励磁绕组提供，悬浮绕组独立控制提供悬浮力，避免了非线性耦合问题，分别控制励磁电流和悬浮电流，方便实现电机的输出控制和悬浮力控制，实现了电机输出和悬浮力之间的互相解耦；
（2）电机发电工作时不需要功率变换器和转子位置传感器，只需要调节励磁电流即可控制输出电压；
（3）悬浮绕组中的悬浮电流控制与转子位置角、电枢电流大小、转速大小无关，且x轴悬浮绕组产生的磁场与y轴悬浮绕组产生的磁场正交，励磁电流产生的偏置磁场独立，因此悬浮控制性能好；
（4）减少了悬浮控制电路的功率器件数，降低了成本，提高了可靠性。
附图说明
图1为分布励磁双凸极电机的结构示意图；
图2为分布励磁双凸极电机发电工作时的外电路原理图；
图3为分布励磁双凸极电机电动工作时的原理图；
图4为本发明的磁悬浮分布励磁双凸极电机的结构示意图；
图5(a)、5(b)、5(c)分别为磁悬浮分布励磁双凸极电机的y轴悬浮控制电路图、x轴悬浮电路图和励磁电流控制电路图；
图6(a)、6(b)分别为图5(a)、5(b)所示的悬浮绕组控制电路的平均电流与开关管占空比的关系曲线图；
图7(a)、7(b)为y轴悬浮绕组控制电路和x轴悬浮绕组控制电路的工作原理图；
图8为悬浮力与悬浮绕组中的电流关系图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示的分布励磁双凸极电机，包括定子铁心1、转子铁心2、电枢绕组3、励磁绕组4，定子铁心1包括12个定子极，相邻定子极间的间隙构成定子槽，转子铁心2包括10个转子极，相邻转子极间的间隙构成转子槽。每个定子极上绕有电枢线圈和励磁线圈，每个定子极上的电枢线圈与间隔两个定子极上的电枢线圈按照感应电势最大的原则正向串联构成一相电枢绕组3，每个定子极上的励磁线圈与相邻定子极上的励磁线圈反向串联构成励磁绕组4。电枢绕组3包括为A、B、C三相绕组，三相绕组空间上按照B相绕组超前A相绕组120°电角度、C相绕组落后A相绕组120°电角度的顺序排列。
图2显示了分布励磁双凸极电机发电工作的外部全桥不控整流电路，也可以采用零式不控整流电路。
图3显示了分布励磁双凸极电机电动工作的外部全桥逆变电路，通过采用正弦波调制方式控制6个开关管的开通和关断，使逆变电路输出三相正弦波电流，输入到三相电枢绕组中。
如图4所示本发明提出的磁悬浮分布励磁双凸极电机的一个实施例，包括定子铁心1、转子铁心2、电枢绕组3、励磁绕组4、y轴悬浮绕组5、x轴悬浮绕组6，其中，6个悬浮线圈Wy1 、Wy2 、Wy3 、Wy4、Wy5 、Wy6串联构成y轴悬浮绕组，y轴悬浮绕组有两个出线端I y+ 和I y- ，分别与y轴悬浮绕组控制电路连接；6个悬浮线圈 Wx1 、Wx2 、Wx3 、Wx4、Wx5 、Wx6串联构成x轴悬浮绕组，x轴悬浮绕组有两个出线端I x+ 和I x- ，分别与x轴悬浮绕组控制电路连接。图中励磁线圈和悬浮线圈上的方向分别表示正电流的参考方向，并不代表实际电流的方向流向一定如此。
图5(a)、5(b)、5(c)分别为磁悬浮分布励磁双凸极电机的y轴悬浮控制电路、x轴悬浮电路和励磁电流控制电路，
y轴悬浮绕组控制电路：MOSFET管Qy1和MOSFET管Qy2串联，MOSFET管Qy3和MOSFET管Qy4串联，MOSFET管Qy1和MOSFET管Qy3的漏极与直流电压源u dcy 的正极相连，MOSFET管Qy2和MOSFET管Qy4的源极与直流电压源u dcy 的负极相连，y轴悬浮绕组的两个出线端I y+ 和I y- 分别与MOSFET管Qy1和MOSFET管Qy3的源极相连。
x轴悬浮绕组控制电路：MOSFET管Qx1和MOSFET管Qx2串联，MOSFET管Qx3和MOSFET管Qx4串联，MOSFET管Qx1和MOSFET管Qx3的漏极与直流电压源u dcx 的正极相连，MOSFET管Qx2和MOSFET管Qx4的源极与直流电压源u dcx 的负极相连，x轴悬浮绕组的两个出线端I x+ 和I x- 分别与MOSFET管Qx1和MOSFET管Qx3的源极相连。
励磁电流控制电路：MOSFET管Qf1的源极和二极管Df1阴极相连，二极管Df2阳极和MOSFET管Qf2的漏极相连，MOSFET管Qf1的漏极和二极管Df2阴极与直流电压源u dc 的正极相连，二极管Df1的阴极和MOSFET管Qf2的源极分别与直流电压源u dc 的负极相连，励磁绕组的两个出线端I f+ 和I f- 分别与MOSFET管Qf1的源极和MOSFET管Qf2的漏极相连。
图6(a)、6(b)分别为图5(a)、5(b)所示的悬浮绕组控制电路的平均电流与开关管占空比的关系曲线图。y轴悬浮电流以iy与MOSFET管Qy1的占空比Dy1成正比，x轴悬浮电流以ix与MOSFET管Qx1的占空比Dx1成正比。
图7(a)、7(b)为y轴悬浮绕组控制电路和x轴悬浮绕组控制电路的工作原理图。y轴悬浮绕组和x轴悬浮绕组独立控制。通过安装在y轴的上方和下方的位移传感器RPT实时检测转子上移或下移的大小X y ，将给定的磁悬浮分布励磁双凸极电机y轴方向参考位移X yref 与y轴方向转子的实际位移X y 之差经过y轴悬浮PI调节器调制得到y轴方向悬浮绕组的给定电流i yref ，与y轴悬浮绕组实际电流i y 比较，经过电流调节器IR，通过PWM电路控制MOSFET管的占空比，调节实际悬浮电流i y 的大小。通过安装在x轴的左方和右方的位移传感器RPT实时检测转子左移或右移的大小X x ，将给定的磁悬浮分布励磁双凸极电机x轴方向参考位移X xref 与y轴方向转子的实际位移X x 之差经过PI调节器调制得到x轴方向悬浮绕组的给定电流i xref ，与x轴悬浮绕组实际电流i x 比较，经过电流调节器IR，通过PWM电路控制MOSFET管的占空比，调节实际悬浮电流i x 的大小，达到控制悬浮力的目的。
图8是本发明的一个实施例仿真得到的y轴方向悬浮力Fy与转子位置角θ的关系曲线图，图中实线是y轴悬浮安匝数为20A时y方向的悬浮力，虚线是y轴悬浮安匝数为40A时y方向的悬浮力。给定y轴方向悬浮绕组的电流，悬浮力随转子位置角的变化较小，根据径向的位移传感器获得的转子位移信号快速调节电流大小，从而调节悬浮力的大小，使其稳定，即可实现转子的良好的悬浮性能。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁悬浮分布励磁双凸极电机，其特征在于：包括定子铁心、转子铁心、定转子间气隙、励磁绕组、电枢绕组、x轴悬浮绕组和y轴悬浮绕组；定子铁心包括12n个定子极，转子铁心包括10n个转子极，n取正整数，相邻定子极间的间隙构成定子槽，定子极上缠绕的电枢线圈按产生的反电势最大的原则相连形成所述电枢绕组，定子槽中嵌有绕在定子极上的励磁线圈和悬浮线圈，相邻定子槽中的励磁线圈反向串联构成所述励磁绕组，空间径向相对位置上的悬浮线圈串联后分别形成产生正交的悬浮磁场的x轴悬浮绕组、y轴悬浮绕组，转子极上无绕组。
2.根据权利要求1所述一种磁悬浮分布励磁双凸极电机，其特征在于：所述转子铁心由齿槽式铁心叠片迭压而成。
3.根据权利要求1所述一种磁悬浮分布励磁双凸极电机，其特征在于：所述定子铁心位于转子铁心的外部或者内部。
4.如权利要求1所述磁悬浮分布励磁双凸极电机的控制系统，其特征在于：所述控制系统包括x轴悬浮绕组控制系统和y轴悬浮绕组控制系统，这两个控制系统独立控制x轴悬浮绕组和y轴悬浮绕组，且这两个控制系统均包括悬浮绕组控制电路、位置传感器、悬浮调节器、电流调节器和PWM控制器，位移传感器实时检测转子在x轴方向或y轴方向的实际位移，将给定的转子x轴方向参考位移或y轴方向参考位移与实际位移的差值输入悬浮调节器，得到x轴悬浮绕组的给定电流或y轴悬浮绕组的给定电流，将这给定电流与x轴悬浮绕组的实际电流或y轴悬浮绕组的实际电流的差值经电流调节器输入至PWM控制器中，通过PWM控制器控制悬浮绕组控制电路中各开关管的占空比。
5.根据权利要求4所述控制系统，其特征在于：所述悬浮绕组控制电路采用全桥逆变电路。
6.根据权利要求4所述控制系统，其特征在于：所述悬浮调节器采用PI控制器。
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