CN106655666A - 一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机及控制方法，所述电机由一个开关磁阻电机和两个锥形磁轴承构成；每个锥形磁轴承的偏置绕组与开关磁阻电机的一个通道绕组串联在一起，构成三相转矩绕组；每个锥形磁轴承的两个径向悬浮绕组控制两个自由度的悬浮，共四个径向自由度，且径向悬浮力间可解耦控制；通过开关磁阻电机两个通道绕组的电流，进而控制转矩和轴向悬浮。本发明电机及控制方法无需单独轴向悬浮绕组，即可实现五自由度悬浮，电机系统集成度高，控制变量少，控制简单，且冗余度高。

Description

一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机及控制方法

技术领域

本发明涉及一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机及控制方法，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机及其控制技术领域。

背景技术

磁悬浮开关磁阻电机，不仅具有磁轴承无摩擦、无润滑等优点，还继承了开关磁阻电机的高速适应性和满足苛刻工作环境等特点，在航空航天、飞轮储能和军事等场合具有独特优势。

磁悬浮开关磁阻电机通常由五自由度磁轴承和开关磁阻电机构成，传统磁轴承需要较大的止推盘，其将导致较大涡流损耗和温升问题；而传统锥形电励磁磁轴承则有较多的控制对象，不利于系统的简化和可靠性。另外，传统磁悬浮开关磁阻电机系统中的电机与磁轴承控制系统之间独立，集成度不高。因此，磁轴承系统与开关磁阻电机系统间的有效集成，尤其是与具有冗余功能的双通道开关磁阻电机的集合，不仅可提高磁悬浮系统的集成度，还有助于提升机电能量转换效率。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机及控制方法。所述电机是一种悬浮力和转矩结构上解耦、悬浮系统功率变换器成本较低、以及悬浮控制对象较少的新型五自由度磁悬浮双通道开关磁阻电机；所述控制方法通过控制两个通道转矩绕组电流和四个径向悬浮电流，进而同时实现五自由度悬浮和旋转运行，悬浮和旋转控制简单，悬浮系统功率变换器成本低。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承Ⅱ；

所述开关磁阻电机布置在锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ之间；

锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、偏置绕组Ⅰ和径向悬浮绕组Ⅰ构成；

锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、偏置绕组Ⅱ和径向悬浮绕组Ⅱ构成；

所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机绕组构成；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；所述锥形转子Ⅰ、磁阻电机转子和锥形转子Ⅱ套在转轴上；

所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ均为锥形凸极结构，所述锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ的锥形角相等；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向相同，锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相同；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向与锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相反；

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子的齿数为12，磁阻电机转子的齿数为8；所述开关磁阻电机的相数为3；所述开关磁阻电机的每相绕组由4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的绕组组成，每相4个绕组分别连接在一起，构成该相2个通道绕组，三相绕组共可构成6个通道绕组；连接方式为：每相4个绕组中，相隔180°的两个绕组，串联在一起，构成该相通道Ⅰ绕组，剩余两个相隔180°的绕组，串联在一起，构成该相通道Ⅱ绕组；

所述锥形定子Ⅰ由4个锥形E型结构Ⅰ构成，4个锥形E型结构Ⅰ均匀分布，每个锥形E型结构Ⅰ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅰ和2个窄齿Ⅰ，且宽齿Ⅰ位于两个窄齿Ⅰ之间；所述宽齿Ⅰ的齿宽是窄齿Ⅰ的二倍；

所述每个宽齿Ⅰ上均绕有3个宽齿绕组Ⅰ，在所述每个宽齿Ⅰ上选取1个宽齿绕组Ⅰ，串联成1个偏置绕组Ⅰ，从而形成3个偏置绕组Ⅰ；

所述每个窄齿Ⅰ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ，即共8个径向悬浮绕组Ⅰ；

在水平正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在水平负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

所述锥形定子Ⅱ由4个锥形E型结构Ⅱ构成，4个锥形E型结构Ⅱ均匀分布，每个锥形E型结构Ⅱ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅱ和2个窄齿Ⅱ，且宽齿Ⅱ位于两个窄齿Ⅱ之间；所述宽齿Ⅱ的齿宽是窄齿Ⅱ的二倍；

所述每个宽齿Ⅱ上均绕有3个宽齿绕组Ⅱ，在所述每个宽齿Ⅱ上选取1个宽齿绕组Ⅱ，串联成1个偏置绕组Ⅱ，从而形成3个偏置绕组Ⅱ；

所述每个窄齿Ⅱ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ，即共8个径向悬浮绕组Ⅱ；

在水平正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在水平负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

在竖直正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；

所述开关磁阻电机的1个通道Ⅰ绕组和1个偏置绕组Ⅰ串联，构成1个通道Ⅰ转矩绕组，共3个，即三相通道Ⅰ转矩绕组；

所述开关磁阻电机的1个通道Ⅱ绕组和1个偏置绕组Ⅱ串联，构成1个通道Ⅱ转矩绕组，共3个，即三相通道Ⅱ转矩绕组。

所述锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机包括1个开关磁阻磁阻电机和2个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机每个通道绕组独立控制，产生旋转转矩，并分别为两个锥形磁轴承提供偏置磁通，同时与2个锥形磁轴承协调控制，共同产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；包括如下步骤：

步骤A，获取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ转矩绕组平均电流的参考值、开通角和关断角；具体步骤如下：

步骤A-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；

步骤A-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的转矩绕组平均电流的参考值i_av ^*；开通角θ_on和关断角θ_off保持不变，θ_on和θ_off的初值都由电机结构形式决定；

步骤B，获取锥形磁轴承Ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤B-1，获取锥形转子Ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₁和β₁，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；

步骤B-2，将实时位移信号α₁和β₁分别与给定的参考位移信号α₁ ^*和β₁ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₁和Δβ₁，将所述实时位移信号差Δα₁和Δβ₁经过比例积分微分控制器，得到锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤C，获取锥形磁轴承Ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤C-1，获取锥形转子Ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₂和β₂；

步骤C-2，将实时位移信号α₂和β₂分别与给定的参考位移信号α₂ ^*和β₂ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₂和Δβ₂，将所述实时位移信号差Δα₂和Δβ₂经过比例积分微分控制器，得到锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤D，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤D-1，获取转子z轴方向的实时位移信号z，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；

步骤D-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z^*相减，得到z轴方向的实时位移信号差Δz，将所述实时位移信号差Δz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力

步骤E，获取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的转矩绕组电流的参考值，具体步骤如下：

步骤E-1，根据所述悬浮力和转矩绕组电流参考值i_av ^*，以及计算公式解算通道Ⅰ和通道Ⅱ转矩绕组电流差的参考值Δi^*；其中，k_f1、k_f2为悬浮力系数，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承部分的轴向长度，r为磁轴承转子的平均半径，α_s为E型结构窄齿的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，N_b、N_s分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数，N_z为轴向悬浮绕组的匝数，γ为E型结构宽齿与窄齿间的夹角，ε为锥形角；

步骤E-2，根据所述i_av ^*和Δi^*，以及计算公式和分别计算得到通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值

步骤F，调节径向悬浮力，具体步骤如下：

步骤F-1，根据所述悬浮力和通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

步骤F-2，根据所述悬浮力和通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅱ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

步骤F-3，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮绕组实际电流i_s1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_s2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮绕组实际电流i_s3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_s4跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

步骤G，调节转矩和轴向悬浮力；用通道Ⅰ的转矩绕组实际电流i_1I跟踪该转矩绕组电流参考值用通道Ⅱ的转矩绕组实际电流i_1II跟踪该转矩绕组电流参考值进而达到同时调节转矩和轴向悬浮力的目的。

本发明的有益效果：本发明提出了一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机及其控制方法，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)可实现五自由度悬浮运行，悬浮力和转矩解耦，高速悬浮性能好；

(2)采用转矩绕组与偏置绕组串联共同励磁的方式，电流利用率高；

(3)3相转矩绕组之和产生的磁通作为偏置磁通，只需控制五个悬浮绕组电流，不需要为悬浮运行而控制转矩绕组电流，便可产生五个方向所需悬浮力，四个径向悬浮力间相互解耦，控制变量少，悬浮控制简单，悬浮系统功率变换器成本小；

(4)削除了运动电动势的对绕组电流斩波控制的影响，电流实时控制效果好；

(5)电机拓展性好，对开关磁阻电机结构无限制，只要两相工作制以上的开关磁阻电机均适用。

附图说明

图1是本发明锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机的三维结构示意图。

图2是本发明A相两通道转矩绕组在磁阻电机部分产生的磁通分布示意图。

图3是锥形磁轴承Ⅰ的磁通分布图。

图4是本发明锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机控制方法的系统框图。

图5是本发明锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机控制方法中各绕组电流计算方法框图。

附图标记说明：图1至图5中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是磁阻电机绕组，4是锥形定子，5是锥形转子，6是偏置绕组，7是径向悬浮绕组，8是转轴，9是12/8极开关磁阻电机，10是锥形磁轴承Ⅰ，11是锥形磁轴承Ⅱ，12、13、14分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向，15是12/8极开关磁阻电机A相双通道绕组产生的磁通，16是气隙1，17是气隙2，18是气隙3，19是气隙4，20为三相转矩绕组在锥形磁轴承Ⅰ内产生的偏置磁通，21是锥形磁轴承Ⅰ径向绕组产生的磁通。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机及控制方法的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机实施例1的三维结构示意图，其中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是磁阻电机绕组，4是锥形定子，5是锥形转子，6是偏置绕组，7是径向悬浮绕组，8是转轴，9是12/8极开关磁阻电机，10是锥形磁轴承Ⅰ，11是锥形磁轴承Ⅱ，12、13、14分别为x、y、z轴方向坐标轴的正方向。

所述锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承Ⅱ；

所述开关磁阻电机布置在锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ之间；

锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、偏置绕组Ⅰ和径向悬浮绕组Ⅰ构成；

锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、偏置绕组Ⅱ和径向悬浮绕组Ⅱ构成；

所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机绕组构成；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；所述锥形转子Ⅰ、磁阻电机转子和锥形转子Ⅱ套在转轴上；

所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ均为锥形凸极结构，所述锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ的锥形角相等；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向相同，锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相同；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向与锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相反；

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子的齿数为12，磁阻电机转子的齿数为8；所述开关磁阻电机的相数为3；所述开关磁阻电机的每相绕组由4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的绕组组成，每相4个绕组分别连接在一起，构成该相2个通道绕组，三相绕组共可构成6个通道绕组；连接方式为：每相4个绕组中，相隔180°的两个绕组，串联在一起，构成该相通道Ⅰ绕组，剩余两个相隔180°的绕组，串联在一起，构成该相通道Ⅱ绕组；

所述锥形定子Ⅰ由4个锥形E型结构Ⅰ构成，4个锥形E型结构Ⅰ均匀分布，每个锥形E型结构Ⅰ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅰ和2个窄齿Ⅰ，且宽齿Ⅰ位于两个窄齿Ⅰ之间；所述宽齿Ⅰ的齿宽是窄齿Ⅰ的二倍；

所述每个宽齿Ⅰ上均绕有3个宽齿绕组Ⅰ，在所述每个宽齿Ⅰ上选取1个宽齿绕组Ⅰ，串联成1个偏置绕组Ⅰ，从而形成3个偏置绕组Ⅰ；

所述每个窄齿Ⅰ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ，即共8个径向悬浮绕组Ⅰ；

在水平正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在水平负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

所述锥形定子Ⅱ由4个锥形E型结构Ⅱ构成，4个锥形E型结构Ⅱ均匀分布，每个锥形E型结构Ⅱ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅱ和2个窄齿Ⅱ，且宽齿Ⅱ位于两个窄齿Ⅱ之间；所述宽齿Ⅱ的齿宽是窄齿Ⅱ的二倍；

所述每个宽齿Ⅱ上均绕有3个宽齿绕组Ⅱ，在所述每个宽齿Ⅱ上选取1个宽齿绕组Ⅱ，串联成1个偏置绕组Ⅱ，从而形成3个偏置绕组Ⅱ；

所述每个窄齿Ⅱ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ，即共8个径向悬浮绕组Ⅱ；

在水平正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在水平负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

在竖直正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；

所述开关磁阻电机的1个通道Ⅰ绕组和1个偏置绕组Ⅰ串联，构成1个通道Ⅰ转矩绕组，共3个，即三相通道Ⅰ转矩绕组；

所述开关磁阻电机的1个通道Ⅱ绕组和1个偏置绕组Ⅱ串联，构成1个通道Ⅱ转矩绕组，共3个，即三相通道Ⅱ转矩绕组。

所述开关磁阻电机的每相两个通道绕组，同时导通分别为两个锥形磁轴承提供偏置磁通，每个通道的三相转矩绕组电流的控制方法与传统开关磁阻电机相同；控制x和y方向的四个悬浮绕组电流，以及轴向绕组电流的大小和方向，进而可产生径向悬浮所需的大小和方向均可控的四个径向磁拉力，进而实现转子的径向四自由度悬浮运行；控制两个通道转矩绕组电流的大小，以及结合四个径向悬浮绕组电流，进而产生轴向悬浮所需的轴向磁拉力和旋转环境，最终实现转子的五自由度悬浮运行。

图2为本发明A相双通道转矩绕组在12/8极开关磁阻电机部分产生的磁通分布示意图。A相转矩绕组由4个彼此在空间上相隔90°的线圈构成，其中相对极的两个线圈串联，构成A相通道Ⅰ绕组；另外两个相对极的线圈串联，构成A相通道Ⅱ绕组。图中，i_1Ⅰ+、i_1Ⅰ-分别为A相通道Ⅰ绕组的流入和流出电流，i_1Ⅱ+、i_1Ⅱ-分别为A相通道Ⅱ绕组的流入和流出电流，两通道产生的磁通极性呈NSNS分布。B、C相的两通道转矩绕组与A相转矩绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30°和-30°。

图3是锥形磁轴承Ⅰ的磁通分布图。A、B、C三相转矩绕组产生的磁通如图3中实线所示(线标号为20)，径向悬浮绕组产生的磁通如图中点虚线所示(线标号为21)。偏置绕组产生的磁通在4个轴向力定子齿上呈NNNN或SSSS分布。在气隙1处悬浮绕组和转矩绕组产生磁通方向一样，磁通增加；而在气隙3处，方向相反，磁通减弱，进而产生一个x正方向的悬浮力。在气隙2处悬浮绕组和转矩绕组产生磁通方向一样，磁通增加，而在气隙4处，磁通减弱，进而产生一个y正方向的悬浮力。同理，当悬浮绕组电流反向时，将产生反方向的悬浮力。因此，合理控制三相两通道转矩绕组电流时，以及四个悬浮绕组电流的大小和方向，即可实现五自由度悬浮和旋转。

三相两通道转矩绕组电流可采用PWM控制、脉冲控制和角位置控制等，与传统开关磁阻电机的控制方法相同，而悬浮电流采用斩波控制。A、B、C三相转矩绕组电流可由电流传感器实时检测得到，转子径向和轴向位移由电涡流传感器实时检测获得，经PID调节得到三个方向悬浮力的给定值。

如图4所示，为本发明锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机控制方法的系统框图。控制思路为：检测电机转子位置信息，经计算分别得到实际转速ω和每相的开通角θ_on和关断角θ_off，将转速误差信号进行PI调节，获得两通道转矩绕组平均电流参考值

将位移误差信号进行PID调节获得给定悬浮力根据和两通道电流差Δi^*，之后通过电流计算获得两通道转矩绕组电流参考值和然后通过悬浮绕组控制器，可分别计算得到两个锥形磁轴承的四个悬浮绕组电流的参考值，即锥形磁轴承Ⅰ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值锥形磁轴承Ⅱ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

利用电流斩波控制方法，让锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮绕组实际电流i_s1跟踪该方向悬绕组电流参考值让y轴方向悬浮绕组的实际电流i_s2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

让锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮绕组实际电流i_s3跟踪该方向悬绕组电流参考值让y轴方向悬浮绕组的实际电流i_s4跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

用通道Ⅰ的转矩绕组实际电流i_1I跟踪该转矩绕组电流参考值用通道Ⅱ的转矩绕组实际电流i_1II跟踪该转矩绕组电流参考值进而达到同时调节转矩和轴向悬浮力的目的。

如图5所示，为本发明的悬浮绕组电流计算方法框图。图中，k_f1、k_f2为悬浮力系数，其表达式为：

式中，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承部分的轴向长度，r为磁轴承转子的平均半径，α_s为E型结构窄定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，γ为E型结构宽、窄定子磁极中心线的夹角，ε为锥形角。

A相导通时，锥形磁轴承Ⅰ的x和y轴方向悬浮力和的表达式为：

式中，i₁、i₂、i₃分别为A、B、C三相转矩绕组的电流，分别为锥形磁轴承Ⅰ的x、y轴方向悬浮绕组电流，N_b、N_s分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数，N_z为轴向悬浮绕组的匝数，i_z为轴向悬浮绕组的电流。

A相导通时，锥形磁轴承Ⅱ的x和y轴方向悬浮力和的表达式为：

式中，分别为锥形磁轴承Ⅱ的x、y轴方向悬浮绕组电流。

A相导通时，z轴方向悬浮力的表达式为：

式中，N_z为轴向悬浮绕组的匝数，i_z为轴向悬浮绕组的电流。

为减小控制难度，令

其中，为A相两通道绕组电流的平均值，Δi^*为A相两通道绕组电流的平均差。则，z轴方向悬浮力的表达式变为：

将式(3)～(6)带入式(9)中，则，z轴方向悬浮力的表达式变为：

由于Δi^*相对于较小，为简化控制，忽略式(10)中分母中的Δi^*，进而可得到z轴方向悬浮力的表达式为：

由表达式(3)～(6)和(11)可知，通过简化处理后，锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机的径向、轴向悬浮力与转子位置角θ无关，仅与电机结构参数、该相两通道转矩绕组电流和四个悬浮绕组电流有关。

所述锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机包括1个开关磁阻磁阻电机和2个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机每个通道绕组独立控制，产生旋转转矩，并分别为两个锥形磁轴承提供偏置磁通，同时与2个锥形磁轴承协调控制，共同产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；包括如下步骤：

步骤A，获取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ转矩绕组平均电流的参考值、开通角和关断角；具体步骤如下：

步骤A-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；

步骤A-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的转矩绕组平均电流的参考值i_av ^*；开通角θ_on和关断角θ_off固定不变，θ_on和θ_off取值由电机结构形式决定；

步骤B，获取锥形磁轴承Ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤B-1，获取锥形转子Ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₁和β₁，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；

步骤B-2，将实时位移信号α₁和β₁分别与给定的参考位移信号α₁ ^*和β₁ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₁和Δβ₁，将所述实时位移信号差Δα₁和Δβ₁经过比例积分微分控制器，得到锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤C，获取锥形磁轴承Ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤C-1，获取锥形转子Ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₂和β₂；

步骤C-2，将实时位移信号α₂和β₂分别与给定的参考位移信号α₂ ^*和β₂ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₂和Δβ₂，将所述实时位移信号差Δα₂和Δβ₂经过比例积分微分控制器，得到锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤D，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤D-1，获取转子z轴方向的实时位移信号z，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；

步骤D-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z^*相减，得到z轴方向的实时位移信号差Δz，将所述实时位移信号差Δz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力

步骤E，获取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的转矩绕组电流的参考值，具体步骤如下：

步骤E-1，根据所述悬浮力和转矩绕组电流参考值i_av ^*，以及计算公式解算通道Ⅰ和通道Ⅱ转矩绕组电流差的参考值Δi^*；其中，k_f1、k_f2为悬浮力系数，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承部分的轴向长度，r为磁轴承转子的平均半径，α_s为E型结构窄齿的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，N_b、N_s分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数，N_z为轴向悬浮绕组的匝数，γ为E型结构宽齿与窄齿间的夹角，ε为锥形角；

步骤E-2，根据所述i_av ^*和Δi^*，以及计算公式和分别计算得到通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值

步骤F，调节径向悬浮力，具体步骤如下：

步骤F-1，根据所述悬浮力和通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

步骤F-2，根据所述悬浮力和通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅱ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

步骤F-3，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮绕组实际电流i_s1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_s2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮绕组实际电流i_s3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_s4跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

步骤G，调节转矩和轴向悬浮力；用通道Ⅰ的转矩绕组实际电流i_1I跟踪该转矩绕组电流参考值用通道Ⅱ的转矩绕组实际电流i_1II跟踪该转矩绕组电流参考值进而达到同时调节转矩和轴向悬浮力的目的。

综上所述，本发明每个锥形磁轴承的偏置绕组与开关磁阻电机的一个通道绕组串联在一起，构成三相转矩绕组；每个锥形磁轴承的两个径向悬浮绕组控制两个自由度的悬浮，共四个径向自由度，且径向悬浮力间可解耦控制；通过开关磁阻电机两个通道绕组的电流，进而控制转矩和轴向悬浮，无需单独轴向悬浮绕组，即可实现五自由度悬浮。本发明电机及控制方法，控制变量少，控制简单，且冗余度高。

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 (2)

1.一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承Ⅱ；

所述开关磁阻电机布置在锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ之间；

锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、偏置绕组Ⅰ和径向悬浮绕组Ⅰ构成；

锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、偏置绕组Ⅱ和径向悬浮绕组Ⅱ构成；

所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机绕组构成；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；所述锥形转子Ⅰ、磁阻电机转子和锥形转子Ⅱ套在转轴上；

所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ均为锥形凸极结构，所述锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ的锥形角相等；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向相同，锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相同；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向与锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相反；

其特征在于，所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子的齿数为12，磁阻电机转子的齿数为8；所述开关磁阻电机的相数为3；所述开关磁阻电机的每相绕组由4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的绕组组成，每相4个绕组分别连接在一起，构成该相2个通道绕组，三相绕组共可构成6个通道绕组；其连接方式为：每相4个绕组中，相隔180°的两个绕组串联在一起，构成该相通道Ⅰ绕组，剩余两个相隔180°的绕组串联在一起，构成该相通道Ⅱ绕组；

所述锥形定子Ⅰ由4个锥形E型结构Ⅰ构成，4个锥形E型结构Ⅰ均匀分布，每个锥形E型结构Ⅰ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅰ和2个窄齿Ⅰ，且宽齿Ⅰ位于两个窄齿Ⅰ之间；所述宽齿Ⅰ的齿宽是窄齿Ⅰ的二倍；

所述每个宽齿Ⅰ上均绕有3个宽齿绕组Ⅰ，在所述每个宽齿Ⅰ上选取1个宽齿绕组Ⅰ，串联成1个偏置绕组Ⅰ，从而形成3个偏置绕组Ⅰ；

所述每个窄齿Ⅰ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ，即共8个径向悬浮绕组Ⅰ；

在水平正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在水平负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

所述锥形定子Ⅱ由4个锥形E型结构Ⅱ构成，4个锥形E型结构Ⅱ均匀分布，每个锥形E型结构Ⅱ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅱ和2个窄齿Ⅱ，且宽齿Ⅱ位于两个窄齿Ⅱ之间；所述宽齿Ⅱ的齿宽是窄齿Ⅱ的二倍；

所述每个宽齿Ⅱ上均绕有3个宽齿绕组Ⅱ，在所述每个宽齿Ⅱ上选取1个宽齿绕组Ⅱ，串联成1个偏置绕组Ⅱ，从而形成3个偏置绕组Ⅱ；

所述每个窄齿Ⅱ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ，即共8个径向悬浮绕组Ⅱ；

在水平正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在水平负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

在竖直正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；

所述开关磁阻电机的1个通道Ⅰ绕组和1个偏置绕组Ⅰ串联，构成1个通道Ⅰ转矩绕组，共3个，即三相通道Ⅰ转矩绕组；

所述开关磁阻电机的1个通道Ⅱ绕组和1个偏置绕组Ⅱ串联，构成1个通道Ⅱ转矩绕组，共3个，即三相通道Ⅱ转矩绕组。

2.根据权利要求1所述的一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，所述锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机包括1个开关磁阻磁阻电机和2个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机每个通道绕组独立控制，产生旋转转矩，并分别为两个锥形磁轴承提供偏置磁通，同时与2个锥形磁轴承协调控制，共同产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；包括如下步骤：

步骤A，获取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ转矩绕组平均电流的参考值、开通角和关断角；具体步骤如下：

步骤A-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；

步骤A-2，将转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的转矩绕组平均电流的参考值i_av ^*；开通角θ_on和关断角θ_off保持不变，θ_on和θ_off的初值都由电机结构形式决定；

步骤B，获取锥形磁轴承Ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤B-1，获取锥形转子Ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₁和β₁，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；

步骤B-2，将实时位移信号α₁和β₁分别与给定的参考位移信号α₁ ^*和β₁ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₁和Δβ₁，将所述实时位移信号差Δα₁和Δβ₁经过比例积分微分控制器，得到锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤C，获取锥形磁轴承Ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤C-1，获取锥形转子Ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₂和β₂；

步骤C-2，将实时位移信号α₂和β₂分别与给定的参考位移信号α₂ ^*和β₂ ^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₂和Δβ₂，将所述实时位移信号差Δα₂和Δβ₂经过比例积分微分控制器，得到锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤D，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤D-1，获取转子z轴方向的实时位移信号z，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；

步骤D-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号z^*相减，得到z轴方向的实时位移信号差Δz，将所述实时位移信号差Δz经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力

步骤E，获取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的转矩绕组电流的参考值，具体步骤如下：

步骤E-1，根据所述悬浮力和转矩绕组电流参考值i_av ^*，以及计算公式解算通道Ⅰ和通道Ⅱ转矩绕组电流差的参考值Δi^*；其中，k_f1、k_f2为悬浮力系数，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承部分的轴向长度，r为磁轴承转子的平均半径，α_s为E型结构窄齿的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，N_b、N_s分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数，N_z为轴向悬浮绕组的匝数，γ为E型结构宽齿与窄齿间的夹角，ε为锥形角；

步骤E-2，根据所述i_av ^*和Δi^*，以及计算公式和分别计算得到通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值

步骤F，调节径向悬浮力，具体步骤如下：

步骤F-1，根据所述悬浮力和通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

步骤F-2，根据所述悬浮力和通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅱ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

步骤F-3，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮绕组实际电流i_s1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_s2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮绕组实际电流i_s3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向悬浮绕组的实际电流i_s4跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

步骤G，调节转矩和轴向悬浮力；用通道Ⅰ的转矩绕组实际电流i_1I跟踪该转矩绕组电流参考值用通道Ⅱ的转矩绕组实际电流i_1II跟踪该转矩绕组电流参考值进而达到同时调节转矩和轴向悬浮力的目的。