CN107104545B - 一种锥形磁轴承开关磁阻电机及其控制方法 - Google Patents

一种锥形磁轴承开关磁阻电机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种锥形磁轴承开关磁阻电机及其控制方法，所述电机由一个开关磁阻电机和两个锥形磁轴承构成；锥形定子为4个E型结构组成，每个E结构中间齿绕有1个径向悬浮绕组，另外两齿分别绕有1个轴向悬浮绕组，串联一起构成一套轴向悬浮绕组；电枢绕组横跨两锥形定子和磁阻电机定子，共形成3相电枢绕组；旋转控制与传统开关磁阻电机控制方式相同，并悬浮提供偏置磁通；五个悬浮力与3相电枢绕组电流、4个径向悬浮绕组电流和2个轴向悬浮绕组电流有关；两个轴向悬浮绕组还可优化偏置磁通，使3相电枢绕组单独励磁时产生的偏置磁通相等，进而解决径向悬浮力输出不均衡问题；本发明电机系统集成度高，电流利用率高，且转矩和悬浮力解耦。

Description

一种锥形磁轴承开关磁阻电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种锥形磁轴承开关磁阻电机及其控制方法，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。
锥形磁轴承开关磁阻电机是一种新型磁悬浮电机，该电机可实现转矩和悬浮力的自然解耦，并利用开关磁阻电机的电枢绕组电流在磁轴承内产生的磁通，作为产生悬浮力所需的偏置磁通；另外由于磁轴承与开关磁阻电机相互隔离，悬浮运行对电动旋转运行无影响。然而，由于三相电枢电流轮流作为产生偏置磁通的电流，因受E型磁轴承定子所限，一相导通时产生的偏置磁通与另外两相不同，导致该悬浮电机输出的悬浮力不均衡，从而影响悬浮运行的平稳性和高速悬浮精度。为此，本发明提出一种锥形磁轴承开关磁阻电机及其控制方法，该电机每个轴向磁轴承中的轴向悬浮绕组串联在一起，构成一套轴向悬浮绕组，并独立控制，除了控制轴向悬浮力外，还跟踪B相和C相电枢绕组电流，并使他们与A相电枢绕组电流相等，从而形成对称的偏置磁通，进而解决各相单独励磁时的径向悬浮力输出不平衡问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种锥形磁轴承开关磁阻电机及其控制方法。所述电机是一种悬浮控制简单、悬浮系统成本低、偏置绕组与电枢绕组为一体结构的锥形磁轴承开关磁阻电机；另外，由于在E型锥形定子中的两边定子齿上分别增加了一套轴向悬浮绕组，在产生轴向悬浮力的同时，还可改善偏置磁通的分布，使之为恒值，进而简化控制难度，及减小悬浮损耗；所述控制方法通过联合控制5个悬浮绕组电流，并使轴向悬浮绕组电流跟踪并优化三相电枢绕组电流的合成波形，使之为恒值，进而产生恒定的合成偏置磁通，增加悬浮控制精度；另外，旋转和悬浮系统间相互解耦，彼此影响弱，控制变量较少，电流利用率高。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种锥形磁轴承开关磁阻电机，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承Ⅱ；所述锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ分别布置在开关磁阻电机的两侧；
所述锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、轴向悬浮绕组Ⅰ和径向悬浮绕组Ⅰ构成；
所述锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、轴向悬浮绕组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、电枢绕组构成；
所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ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、磁阻电机定子和锥形定子Ⅱ串联布置，且锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ布置于磁阻电机定子的两侧，磁轴承定子Ⅰ与磁阻电机定子间存在间隙，磁阻电机定子与磁轴承定子Ⅱ间存在间隙；
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12，磁阻电机转子的齿数为8，且所述开关磁阻电机为三相工作制；
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；
所述锥形定子Ⅰ由4个E型结构Ⅰ构成，4个E型结构Ⅰ均匀分布，每个E型结构Ⅰ之间相差90°；每个E型结构Ⅰ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅰ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且E型结构Ⅰ的定子齿与磁阻电机定子齿的齿宽相等；所述锥形转子Ⅰ为圆柱结构；
所述锥形定子Ⅱ由4个E型结构Ⅱ构成，4个E型结构Ⅱ均匀分布，每个E型结构Ⅱ之间相差90°；每个E型结构Ⅱ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅱ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且E型结构Ⅱ的定子齿与磁阻电机定子齿的齿宽相等；所述锥形转子Ⅱ为圆柱结构；
所述电枢绕组的缠绕方式为：每个电枢绕组横跨处于同一圆周位置上的1个锥形定子Ⅰ的定子齿、1个磁阻电机定子齿和1个锥形定子Ⅱ的定子齿，并缠绕在三者之上，共12个；
所述径向悬浮绕组Ⅰ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅰ的中间定子齿上绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ，共4个；
所述轴向悬浮绕组Ⅰ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅰ的两个边齿上各绕有1个轴向悬浮绕组Ⅰ，共8个；
所述径向悬浮绕组Ⅱ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅱ的中间定子齿上绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ，共4个；
所述轴向悬浮绕组Ⅱ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅱ的两个边齿上各绕有1个轴向悬浮绕组Ⅱ，共8个；
所述电枢绕组的连接方式为：处于水平方向的2个电枢绕组和处于竖直方向的2个电枢绕组串联，构成A相电枢绕组；
圆周位置上与A相电枢绕组相差30°的4个电枢绕组串联，构成B相电枢绕组；
圆周位置上与A相电枢绕组相差60°的4个电枢绕组串联，构成C相电枢绕组；
所述锥形定子Ⅰ的轴向悬浮绕组Ⅰ连接方式为：8个轴向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个轴向正方向悬浮绕组；
所述锥形定子Ⅱ的轴向悬浮绕组Ⅱ连接方式为：8个轴向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个轴向负方向悬浮绕组；
所述锥形定子Ⅰ的径向悬浮绕组Ⅰ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅰ的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向E型结构Ⅰ的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅰ；
所述锥形定子Ⅱ的径向悬浮绕组Ⅱ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅱ的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向E型结构Ⅱ的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅱ；
所述电机包括一个开关磁阻磁阻电机和两个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个锥形磁轴承产生4个径向悬浮力和1个轴向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述电机绕组由3相电枢绕组、4个径向悬浮绕组和2个轴向悬浮绕组构成，其中独立控制三相电枢绕组电流，以调节转矩，并产生悬浮所需的偏置磁通；联合控制5个悬浮绕组电流，实现五自由度悬浮调节的同时，并实现转矩与悬浮力间的解耦；包括如下步骤：
步骤A，获取开通角θon和关断角θoff；具体步骤如下：
步骤A-1，采集磁阻电机转子实时转速，得到转子角速度ω；
步骤A-2，将磁阻电机转子角速度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，获得开通角θon和关断角θoff；
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，分别获取锥形转子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分别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，分别获取锥形转子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分别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，获取锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的z轴方向给定悬浮力，其中，z轴为轴向方向，与x、y轴相差90°；其具体步骤如下：
步骤D-1，获取转轴的z轴方向的实时位移信号zz；
步骤D-2，将实时位移信号zz与给定的参考位移信号zz *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，得到锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的z轴方向悬浮力
步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤E-1，采集3相实时的电枢绕组电流，根据所述悬浮力 和以及计算公式：
解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值以及两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值
其中kf为悬浮力系数，μ0为真空磁导率，l为锥形磁轴承的轴向长度，r为锥形转子的平均半径，αs为锥形磁轴承E型结构定子齿的极弧角，δ为锥形磁轴承的单边气隙长度，Nb、Ns、Nz分别电枢绕组、径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组的匝数，i1、i2和i3分别为三相电枢绕组电流，α为锥形角；
步骤E-2，计算锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的轴向绕组电流的参考值；已知两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值根据轴向绕组电流计算公式和解算出锥形磁轴承Ⅰ的轴向正方向悬浮绕组电流的参考值以及锥形磁轴承Ⅱ的轴向负方向悬浮绕组电流的参考值
步骤E-3，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴正方向悬浮绕组的实际电流iz1跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值
用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴负方向悬浮绕组的实际电流iz2跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值
步骤F，调节转矩；通过调节开通角θon和关断角θoff的取值，从而实时调节转矩。
本发明的有益效果：本发明提出了一种锥形磁轴承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)三相电枢绕组在磁轴承内产生的磁通作为悬浮所需的偏置磁通，电流利用率高，控制变量少，悬浮控制简单；
(3)三相电枢绕组单独励磁时悬浮力输出均衡，轴向悬浮绕组除产生轴向悬浮力外，还产生一定的偏置磁通，磁利用率高。
附图说明
图1是本发明锥形磁轴承开关磁阻电机的三维结构示意图。
图2是本发明A相电枢绕组和两个径向悬浮绕组Ⅰ在锥形磁轴承Ⅰ部分的连接方式示意图。
图3是本发明锥形磁轴承Ⅰ中轴向悬浮绕组Ⅰ的连接方式示意图。
图4是本发明锥形磁轴承Ⅰ的磁通分布图。
图5是本发明锥形磁轴承开关磁阻电机控制方法的系统框图。
图6是五自由度悬浮绕组电流计算方法框图。即四个径向悬浮绕组电流和两轴向悬浮电流之差的计算方法框图。
图7是为本发明两个轴向悬浮绕组电流的计算方法框图。
附图标记说明：图1至图7中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是电枢绕组，4是锥形定子，5是锥形转子，6是径向悬浮绕组，7是轴向悬浮绕组，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A相电枢绕组的流入电流i1+，16是A相电枢绕组的流出电流i1-，17是锥形磁轴承Ⅰ的x方向径向悬浮绕组的流入电流is1+，18是锥形磁轴承Ⅰ的x方向径向悬浮绕组的流入电流is1-，19是锥形磁轴承Ⅰ的y方向径向悬浮绕组的流入电流is2+，20是锥形磁轴承Ⅰ的y方向径向悬浮绕组的流入电流is2-，21是锥形磁轴承Ⅰ的轴向正方向悬浮绕组的流入电流iz1+，22是锥形磁轴承Ⅰ的轴向正方向悬浮绕组的流出电流iz1-，23是气隙1，24是气隙2，25是气隙3，26是气隙4，27为三相电枢绕组在锥形磁轴承Ⅰ内产生的偏置磁通，28为径向悬浮绕组Ⅰ在锥形磁轴承Ⅰ内产生的磁通，29为轴向正方向悬浮绕组电流在锥形磁轴承Ⅰ内产生的磁通，i2、i3分别为B、C相的电枢绕组电流，iz2为锥形磁轴承Ⅱ的轴向负方向悬浮绕组电流。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种锥形磁轴承开关磁阻电机及其控制方法的技术方案进行详细说明：
如图1所示，是本发明锥形磁轴承开关磁阻电机的三维结构示意图，其中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是电枢绕组，4是锥形定子，5是锥形转子，6是径向悬浮绕组，7是轴向悬浮绕组，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。
一种锥形磁轴承开关磁阻电机，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承Ⅱ；所述锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ分别布置在开关磁阻电机的两侧；
所述锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、轴向悬浮绕组Ⅰ和径向悬浮绕组Ⅰ构成；
所述锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、轴向悬浮绕组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、电枢绕组构成；
所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ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、磁阻电机定子和锥形定子Ⅱ串联布置，且锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ布置于磁阻电机定子的两侧，磁轴承定子Ⅰ与磁阻电机定子间存在间隙，磁阻电机定子与磁轴承定子Ⅱ间存在间隙；
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12，磁阻电机转子的齿数为8，且所述开关磁阻电机为三相工作制；
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；
所述锥形定子Ⅰ由4个E型结构Ⅰ构成，4个E型结构Ⅰ均匀分布，每个E型结构Ⅰ之间相差90°；每个E型结构Ⅰ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅰ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且E型结构Ⅰ的定子齿与磁阻电机定子齿的齿宽相等；所述锥形转子Ⅰ为圆柱结构；
所述锥形定子Ⅱ由4个E型结构Ⅱ构成，4个E型结构Ⅱ均匀分布，每个E型结构Ⅱ之间相差90°；每个E型结构Ⅱ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅱ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且E型结构Ⅱ的定子齿与磁阻电机定子齿的齿宽相等；所述锥形转子Ⅱ为圆柱结构；
所述电枢绕组的缠绕方式为：每个电枢绕组横跨处于同一圆周位置上的1个锥形定子Ⅰ的定子齿、1个磁阻电机定子齿和1个锥形定子Ⅱ的定子齿，并缠绕在三者之上，共12个；
所述径向悬浮绕组Ⅰ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅰ的中间定子齿上绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ，共4个；
所述轴向悬浮绕组Ⅰ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅰ的两个边齿上各绕有1个轴向悬浮绕组Ⅰ，共8个；
所述径向悬浮绕组Ⅱ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅱ的中间定子齿上绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ，共4个；
所述轴向悬浮绕组Ⅱ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅱ的两个边齿上各绕有1个轴向悬浮绕组Ⅱ，共8个；
所述电枢绕组的连接方式为：处于水平方向的2个电枢绕组和处于竖直方向的2个电枢绕组串联，构成A相电枢绕组；
圆周位置上与A相电枢绕组相差30°的4个电枢绕组串联，构成B相电枢绕组；
圆周位置上与A相电枢绕组相差60°的4个电枢绕组串联，构成C相电枢绕组；
所述锥形定子Ⅰ的轴向悬浮绕组Ⅰ连接方式为：8个轴向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个轴向正方向悬浮绕组；
所述锥形定子Ⅱ的轴向悬浮绕组Ⅱ连接方式为：8个轴向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个轴向负方向悬浮绕组；
所述锥形定子Ⅰ的径向悬浮绕组Ⅰ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅰ的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向E型结构Ⅰ的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅰ；
所述锥形定子Ⅱ的径向悬浮绕组Ⅱ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅱ的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向E型结构Ⅱ的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅱ；
三相电枢绕组在磁轴承内产生的磁通作为悬浮所需的偏置磁通，电流利用率高，控制变量少，悬浮控制简单；三相电枢绕组单独励磁时悬浮力输出均衡，轴向悬浮绕组除产生轴向悬浮力外，还产生一定的偏置磁通，磁利用率高。
图2为本发明A相电枢绕组和两个径向悬浮绕组Ⅰ在锥形磁轴承Ⅰ部分的连接方式示意图。处于水平方向和竖直方向的四个电枢串联一起，构成A相电枢绕组，其每个电枢绕组在空间上相隔90°；A相电枢绕组电流产生的四极对称磁通，呈NSNS分布。当A相电枢绕组导通时，在磁阻电机内产生的磁场，用于产生转矩；A、B、C三相电枢绕组在磁轴承内产生的合成磁场用于悬浮控制的偏置磁场。B相电枢绕组、C相电枢绕组与A相电枢绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30°和-30°。
图3是本发明轴向悬浮绕组Ⅰ的连接方式示意图。8个轴向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个轴向正方向悬浮绕组；锥形定子Ⅱ的轴向悬浮绕组Ⅱ连接方式与之相同，即8个轴向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个轴向负方向悬浮绕组。
图4是本发明锥形磁轴承Ⅰ的磁通分布图。A、B、C三相电枢绕组产生的磁通如图3中实线所示(线标号为27)，径向悬浮绕组产生的磁通如图中点虚线所示(线标号为28)，轴向悬浮绕组产生的磁通如图中长点虚线所示(线标号为29)。电枢绕组产生的磁通在每个E型结构的中间齿上呈NSNS分布。在气隙1处径向悬浮绕组和电枢绕组、轴向悬浮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轴正方向的悬浮力和一个z轴正方向的悬浮力。在气隙2处径向悬浮绕组和电枢绕组、轴向悬浮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轴正方向的悬浮力和一个y轴正方向的悬浮力。同理，当径向悬浮绕组电流反向时，将产生反方向的径向悬浮力，但轴向悬浮力仍为正向。因此，在给定A、B、C三相电枢绕组电流时，合理控制x、y径向悬浮绕组电流的大小和方向，以及z轴向悬浮绕组的大小，即可产生大小和方向均可控的径向悬浮力，以及大小控制的轴向正方向悬浮力。
同理，锥形磁轴承Ⅱ也产生大小和方向均可控的径向悬浮力，以及大小控制的轴向负方向悬浮力。联合控制四个径向悬浮绕组电流和两个轴向悬浮绕组电流，即实现转子的五自由度悬浮运行。
电枢绕组电流采用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三相电枢绕组电流由电流传感器实时检测得到，转子位移由电涡流传感器实时检测获得，经PI调节得到五个方向悬浮力的给定值。由于悬浮力与A、B、C三相电枢绕组电流、四个径向悬浮绕组电流及两个轴向悬浮绕组电流有关，进而解算得到五个方向的悬浮电流，作为功率变换器中电流控制的给定值，最终实现电机的五自由度悬浮运行。
如图5所示，为本发明锥形磁轴承开关磁阻电机的系统框图。旋转控制采用PWM控制、脉冲控制和角位置控制等传统开关磁阻电机的控制方法，而悬浮控制则采用电流斩波控制的方式。
转矩控制为：检测电机转子位置信息，经计算分别得到实际转速ω，将转速误差信号进行PI调节，获得开通角θon和关断角θoff，进而控制电枢绕组功率电路的导通状态，从而实现电机旋转。
悬浮控制为：将位移误差信号进行PID调节获得给定悬浮力 和再结合实测三相电枢绕组电流i1、i2和i3，即通过五自由度悬浮绕组电流控制器计算出：锥形磁轴承Ⅰ的x方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值锥形磁轴承Ⅱ的x方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值并计算出两轴向悬浮绕组电流之差的参考值然后经过轴向悬浮绕组电流计算，得到两个轴向悬浮绕组电流的参考值和
利用电流斩波控制方法，让锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is1跟踪该方向悬绕组电流参考值让y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值
让锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is3跟踪该方向悬绕组电流参考值让y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值
让锥形磁轴承Ⅰ的z轴方向轴向悬浮绕组实际电流iz1跟踪该方向悬绕组电流参考值让锥形磁轴承Ⅱ的z轴方向轴向悬浮绕组实际电流iz2跟踪该方向悬绕组电流参考值从而实时调节悬浮力，实现电机的五自由度悬浮。
如图6为所示，为本发明的五自由度悬浮绕组电流计算方法框图。图中，kf为悬浮力系数，其表达式为：
式中，μ0为真空磁导率，l为锥形磁轴承的轴向长度，r为锥形转子的半径，αs为锥形磁轴承E型结构定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度。
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三相电枢绕组的电流，分别为锥形磁轴承Ⅰ的x、y、z轴方向悬浮绕组电流，Nb为电枢绕组的匝数，Nz为轴向悬浮绕组的匝数，Ns为径向悬浮绕组的匝数，α为锥形角。
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、z轴方向悬浮绕组电流。
两个锥形磁轴承的轴向合成悬浮力为：
由表达式(2)～(6)，当五个方向悬浮力的给定值已知时，需要求解6个悬浮绕组电流变量，为此需要引入一个约束方程：
将式(7)，带入(2)～(6)后，得：
如图7所示，为本发明两个轴向悬浮绕组电流的计算方法框图。根据式(7)，写出两个轴向悬浮电流与二者之差关系为：
由表达式(8)～(12)知，五个悬浮力给定值计算出5个悬浮控制变量，另外，由于悬浮力系数与开关磁阻电机的位置角无关，实现转矩与悬浮力的解耦控制。根据公式(13)，计算出两个轴向悬浮绕组电流的给定值。
需要指出的是，由于悬浮力正负随径向悬浮绕组电流的正负变化而变化，因此四个径向悬浮绕组电流方向在控制时会发生变化，需采用可调电流方向的功率变换器。
所述一种锥形磁轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，所述电机包括一个开关磁阻磁阻电机和两个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个锥形磁轴承产生4个径向悬浮力和1个轴向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述电机绕组由3相电枢绕组、4个径向悬浮绕组和2个轴向悬浮绕组构成，其中独立控制三相电枢绕组电流，以调节转矩，并产生悬浮所需的偏置磁通；联合控制5个悬浮绕组电流，实现五自由度悬浮调节的同时，并实现转矩与悬浮力间的解耦；包括如下步骤：
步骤A，获取开通角θon和关断角θoff；具体步骤如下：
步骤A-1，采集磁阻电机转子实时转速，得到转子角速度ω；
步骤A-2，将磁阻电机转子角速度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，获得开通角θon和关断角θoff；
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，分别获取锥形转子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分别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，分别获取锥形转子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分别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，获取锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的z轴方向给定悬浮力，其中，z轴为轴向方向，与x、y轴相差90°；其具体步骤如下：
步骤D-1，获取转轴的z轴方向的实时位移信号zz；
步骤D-2，将实时位移信号zz与给定的参考位移信号zz *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，得到锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的z轴方向悬浮力
步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤E-1，采集3相实时的电枢绕组电流，根据所述悬浮力 和以及计算公式：
解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值以及两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值
其中kf为悬浮力系数，μ0为真空磁导率，l为锥形磁轴承的轴向长度，r为锥形转子的平均半径，αs为锥形磁轴承E型结构定子齿的极弧角，δ为锥形磁轴承的单边气隙长度，Nb、Ns、Nz分别电枢绕组、径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组的匝数，i1、i2和i3分别为三相电枢绕组电流，α为锥形角；
步骤E-2，计算锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的轴向绕组电流的参考值；已知两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值根据轴向绕组电流计算公式和解算出锥形磁轴承Ⅰ的轴向正方向悬浮绕组电流的参考值以及锥形磁轴承Ⅱ的轴向负方向悬浮绕组电流的参考值
步骤E-3，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴正方向悬浮绕组的实际电流iz1跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值
用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴负方向悬浮绕组的实际电流iz2跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值
步骤F，调节转矩；通过调节开通角θon和关断角θoff的取值，从而实时调节转矩。
综上所述，本发明在结构上实现了转矩和悬浮力的解耦，同时通过对两个轴向悬浮绕组电流的单独控制，跟踪B相和C相电枢绕组电流，改善这两相单独励磁时的偏置磁通，使之与A相相同，进而解决了各相单独励磁时的径向悬浮力输出不均衡问题。
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)

1.一种锥形磁轴承开关磁阻电机，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承Ⅱ；所述锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ分别布置在开关磁阻电机的两侧；
所述锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、轴向悬浮绕组Ⅰ和径向悬浮绕组Ⅰ构成；
所述锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、轴向悬浮绕组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、电枢绕组构成；
所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ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、磁阻电机定子和锥形定子Ⅱ串联布置，且锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ布置于磁阻电机定子的两侧，磁轴承定子Ⅰ与磁阻电机定子间存在间隙，磁阻电机定子与磁轴承定子Ⅱ间存在间隙；
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12，磁阻电机转子的齿数为8，且所述开关磁阻电机为三相工作制；
其特征在于，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；
所述锥形定子Ⅰ由4个E型结构Ⅰ构成，4个E型结构Ⅰ均匀分布，每个E型结构Ⅰ之间相差90°；每个E型结构Ⅰ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅰ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且E型结构Ⅰ的定子齿与磁阻电机定子齿的齿宽相等；所述锥形转子Ⅰ为圆柱结构；
所述锥形定子Ⅱ由4个E型结构Ⅱ构成，4个E型结构Ⅱ均匀分布，每个E型结构Ⅱ之间相差90°；每个E型结构Ⅱ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅱ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且E型结构Ⅱ的定子齿与磁阻电机定子齿的齿宽相等；所述锥形转子Ⅱ为圆柱结构；
所述电枢绕组的缠绕方式为：每个电枢绕组横跨处于同一圆周位置上的1个锥形定子Ⅰ的定子齿、1个磁阻电机定子齿和1个锥形定子Ⅱ的定子齿，并缠绕在三者之上，共12个；
所述径向悬浮绕组Ⅰ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅰ的中间定子齿上绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ，共4个；
所述轴向悬浮绕组Ⅰ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅰ的两个边齿上各绕有1个轴向悬浮绕组Ⅰ，共8个；
所述径向悬浮绕组Ⅱ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅱ的中间定子齿上绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ，共4个；
所述轴向悬浮绕组Ⅱ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅱ的两个边齿上各绕有1个轴向悬浮绕组Ⅱ，共8个；
所述电枢绕组的连接方式为：处于水平方向的2个电枢绕组和处于竖直方向的2个电枢绕组串联，构成A相电枢绕组；
圆周位置上与A相电枢绕组相差30°的4个电枢绕组串联，构成B相电枢绕组；
圆周位置上与A相电枢绕组相差60°的4个电枢绕组串联，构成C相电枢绕组；
所述锥形定子Ⅰ的轴向悬浮绕组Ⅰ连接方式为：8个轴向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个轴向正方向悬浮绕组；
所述锥形定子Ⅱ的轴向悬浮绕组Ⅱ连接方式为：8个轴向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个轴向负方向悬浮绕组；
所述锥形定子Ⅰ的径向悬浮绕组Ⅰ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅰ的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向E型结构Ⅰ的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅰ；
所述锥形定子Ⅱ的径向悬浮绕组Ⅱ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅱ的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向E型结构Ⅱ的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅱ。
2.根据权利要求 1所述的一种锥形磁轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个锥形磁轴承产生4个径向悬浮力和1个轴向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述锥形磁轴承开关磁阻电机绕组由3相电枢绕组、4个径向悬浮绕组和2个轴向悬浮绕组构成，其中独立控制三相电枢绕组电流，以调节转矩，并产生悬浮所需的偏置磁通；联合控制5个悬浮绕组电流，实现五自由度悬浮调节的同时，并实现转矩与悬浮力间的解耦；包括如下步骤：
步骤A，获取开通角θon和关断角θoff；具体步骤如下：
步骤A-1，采集磁阻电机转子实时转速，得到转子角速度ω；
步骤A-2，将磁阻电机转子角速度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，获得开通角θon和关断角θoff；
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，分别获取锥形转子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分别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，分别获取锥形转子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分别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，获取锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的z轴方向给定悬浮力，其中，z轴为轴向方向，与x轴、y轴相差90°；其具体步骤如下：
步骤D-1，获取转轴的z轴方向的实时位移信号zz；
步骤D-2，将实时位移信号zz与给定的参考位移信号zz *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，得到锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的z轴方向悬浮力
步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤E-1，采集3相实时的电枢绕组电流，根据所述悬浮力 和以及计算公式：
解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值以及两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值
其中kf为悬浮力系数，μ0为真空磁导率，l为锥形磁轴承的轴向长度，r为锥形转子的平均半径，αs为锥形磁轴承E型结构定子齿的极弧角，δ为锥形磁轴承的单边气隙长度，Nb、Ns、Nz分别电枢绕组、径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组的匝数，i1、i2和i3分别为三相电枢绕组电流，α为锥形角；
步骤E-2，计算锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的轴向绕组电流的参考值；已知两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值根据轴向绕组电流计算公式和解算出锥形磁轴承Ⅰ的轴向正方向悬浮绕组电流的参考值以及锥形磁轴承Ⅱ的轴向负方向悬浮绕组电流的参考值
步骤E-3，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is1跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴正方向悬浮绕组的实际电流iz1跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值
用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流is3跟踪该方向悬绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流is4跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用z轴负方向悬浮绕组的实际电流iz2跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值
步骤F，调节转矩；通过调节开通角θon和关断角θoff的取值，从而实时调节转矩。
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