CN110289744B - 单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机及发电控制方法 - Google Patents

单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机及发电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机及发电控制方法，包括凸极结构定子、凸极结构转子和线圈，每个定子齿上只有一个线圈，对于每相绕组，当其各线圈电感随转子位置上升时，该相绕组不工作，当其各线圈电感随转子位置不变时，该相绕组用作悬浮绕组，当其各线圈电感随转子位置下降时，该相绕组用作发电绕组。本发明绕组铜耗低，电流利用率高，铁芯材料的利用率高，控制方便，电机发电系统的可靠性与稳定性高。

Description

单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机及发电控制方法
技术领域
本发明涉及一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机及发电控制方法，属于电机技术领域。
背景技术
无轴承开关磁阻电机是一种将磁悬浮与开关磁阻电机相结合的技术，电机结构简单、容错性强，并且省去了机械轴承的使用，便于维护，增加了电机使用寿命，在航空航天发电领域内具有应用前景。
在国内，南京航空航天大学成功研制了双绕组无轴承开关磁阻发电机，该发电机为三相电机，定子有12个齿，每个齿的极弧角为15°，每个定子齿极上有两个线圈；转子有8个齿，每个齿的极弧角为15°，转子齿极上没有绕组。每相定子齿极上的外线圈反向串联构成发电绕组，而四个定子齿极上的内线圈相互断开，各线圈电流独立控制，用以提供励磁磁场。在电机旋转过程中，定转子齿极重叠面积发生变化，进而改变发电绕组磁链大小，从而产生交流感应电动势，通过整流器，可向负载提供直流电。然而，在双绕组无轴承开关磁阻发电机中，因每个定子齿极上含有两个线圈，不但增加了铜的使用量还使得在铜上的损耗增加。控制定子齿极内线圈电流时，不仅需要使得电机稳定悬浮，还要稳定负载电压，使得电机控制较为复杂。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机及发电控制方法，本发明绕组铜耗低，电流利用率高，铁芯材料的利用率高。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机，包括凸极结构定子、凸极结构转子和线圈，其中：
所述凸极结构定子有12个齿，所述凸极结构转子有8个齿，所述线圈共有12个，每个线圈缠绕在凸极结构定子齿上，彼此相互断开，各线圈电流均为独立控制；
电机为三相制电机，每相绕组都由四个空间上相隔90°的定子齿上的线圈构成，每相绕组中的磁通呈NSNS分布，最终12个绕组在空间上呈相差30°的三相绕组；
对于每相绕组，当其各线圈电感随转子位置上升时，该相绕组不工作，当其各线圈电感随转子位置不变时，该相绕组用作悬浮绕组，当其各线圈电感随转子位置下降时，该相绕组用作发电绕组。
优选的：电机始终运行在双相导通模式，当A相绕组提供悬浮力时，B相绕组发电运行，当B相绕组提供悬浮力时，C相绕组发电运行，依次类推；在悬浮区间通入不对称电流以提供悬浮力，并且根据最小铜耗原则来控制电流大小；把发电区间分为励磁区间以及续流发电区间，在励磁区间通过励磁电压源以及斩波控制使电流在短时间内达到计算得到的最佳励磁电流，在续流发电区间关断开关管进行续流发电。
优选的：所述凸极结构定子的每个齿的极弧角为15°。
优选的：所述凸极结构转子的每个齿的极弧角为30°。
一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机的发电控制方法，包括以下步骤：
步骤A，依据悬浮绕组其四个线圈在空间中的位置建立直角坐标系，坐标轴分别称为X轴和Y轴，将给定电机转子位移与实际电机转子位移之差经过PID调节器，输出X轴方向上的给定悬浮力FX *、Y轴方向上的给定悬浮力FY *；当FX *大于零时，表示FX *指向X轴正方向；当FY *大于零时，表示FY *指向Y轴正方向；
步骤B，定义定转子齿极中心线对齐位置为0°角，判别位置角θ的区间，当转子位置处于[-22.5°，-7.5°]区间时，A相绕组断开不工作；当转子位置处于[-7.5°，7.5°]区间时，A相绕组作为悬浮相，通入不对称电流以提供悬浮力；当转子位置处于[7.5°，22.5°]区间时，A相绕组作为发电相，通过控制器判断位置角处于励磁区间还是续流发电区间；
步骤C，当转子进入悬浮区间，根据最小铜耗原理得到当悬浮区间平均悬浮电流is *等于X轴方向上任意差分电流Δis1 *、或当悬浮区间平均悬浮电流is *等于Y轴方向上任意差分电流Δis2 *时悬浮区间铜损耗达到最小；为保证具有同一个平均悬浮电流is *，取FX *、FY *中的一个较大值，这里取FY *，使is *等于Δis2 *；根据以下公式
FY *＝20Dis *Δis2 * (1)
Figure BDA0002107128230000021
其中，D为悬浮力系数，N为线圈匝数，μ0为真空磁导率，r为转子半径，lg为定转子齿间气隙长度，h为电机轴向长度；
根据Y轴方向上的悬浮力FY *，并且is *等于Δis2 *由式(1)和式(2)计算出平均悬浮电流is *；
步骤D，获得悬浮绕组参考电流值；
根据以下公式
Figure BDA0002107128230000022
is2 *＝is *+Δis2 *＝2is * (4)
Figure BDA0002107128230000031
is4 *＝is *-Δis2 *＝0 (6)
分别求出is1 *、is2 *、is3 *和is4 *，is1 *表示悬浮绕组的X轴正向参考电流、is2 *表示Y轴正向参考电流、is3 *表示X轴负向参考电流和is4 *表示Y轴负向参考电流；
步骤E，采用滞环控制，将悬浮绕组电流控制在悬浮绕组参考电流值，如果实际电流值大于参考电流值，控制器输出低电平驱动信号，关断绕组电压，电流迅速下降；反之，则输出高电平驱动信号，使相应的开关管开通，母线电压加在绕组两端，电流缓慢上升；通过电流滞缓控制，使电流稳定在给定电流附近；
步骤F，当转子进入发电区间，根据公式
Figure BDA0002107128230000032
其中，Bsat为材料饱和磁密，μ0为真空磁导率，N为定子齿线圈匝数，lg为气隙长度；
计算出铁芯材料达到磁饱和时最佳励磁电流ic *，将给定输出电压与实际输出电压之差经过PI调节器与限幅器，获得所述最佳励磁电流ic *参考值，通过励磁电压源以及斩波控制控制开关管使实际电流稳定在给定最佳励磁参考电流附近；当电流达到最佳励磁电流后，关断开关管进行续流发电。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明的每个定子齿极上只有一个线圈，减少铜线的使用量，具有经济价值。另外，本发明根据最小铜耗原理保证铜损耗达到最小，提高了电流利用率，同时保证具有同一个平均悬浮电流，并且计算出铁芯材料达到磁饱和时最佳励磁电流，因此提高了铁芯材料的利用率。
综上所述，本发明绕组铜耗低，电流利用率高，铁芯材料的利用率高，控制方便，电机发电系统的可靠性与稳定性高，应用前景较为广泛。
附图说明
图1为单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机的三维结构示意图；
图2为A相绕组示意图；
图3为A相绕组电感示意图；
图4为A相绕组电流波形图；
图5为本发明一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机发电运行控制策略的框架图；
其中，1是电机定子，2是电机转子，3是绕组，x*、y*为水平方向与垂直方向上的给定位移，x、y为水平方向与垂直方向上的实际位移，UL *为给定输出电压，UL为实际输出电压，FX *、FY *分别为水平方向与垂直方向上的给定悬浮力，ic *为最佳励磁电流参考值，θ为转子位置角，θoff为关断角，I*为悬浮电流参考值与发电电流参考值的复合信号，I为悬浮电流电流实际值与发电电流实际值的复合信号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机，如图1所示，包括凸极结构定子、凸极结构转子和线圈；
所述电机定子有12个齿，每个齿的极弧角为15°，所述电机转子有8个齿，每个齿的极弧角为30°，所述线圈共有12个，每个线圈缠绕在电机定子齿上，彼此相互断开，各线圈电流均为独立控制。
所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机为三相制电机，每相绕组都由四个空间上相隔90°的定子齿上的线圈构成，每相绕组中的磁通呈NSNS分布，最终12个绕组在空间上呈相差30°的三相绕组。
每相所述绕组，当其各线圈电感随转子位置上升时，该相绕组不工作，当其各线圈电感随转子位置不变时，该相绕组用作悬浮绕组，当其各线圈电感随转子位置下降时，该相绕组用作发电绕组。
电机始终运行在双相导通模式，当A相绕组提供悬浮力时，B相绕组发电运行，当B相绕组提供悬浮力时，C相绕组发电运行，依次类推。在悬浮区间通入不对称电流以提供悬浮力，并且根据最小铜耗原则来控制电流大小。把发电区间分为励磁区间以及续流发电区间，在励磁区间通过励磁电压源以及斩波控制使电流在短时间内达到计算得到的最佳励磁电流，在续流发电区间关断开关管进行续流发电。
所述悬浮绕组，依据其四个线圈在空间中的位置建立直角坐标系，坐标轴分别称为X轴和Y轴。
发电机控制方法，其具体步骤如下：
步骤A，将给定电机转子位移与实际电机转子位移之差经过PID调节器，输出X轴与Y轴方向上的给定悬浮力FX *、FY *；当FX *大于零时，表示FX *指向X轴正方向；当FY *大于零时，表示FY *指向Y轴正方向；
步骤B，定义定转子齿极中心线对齐位置为0°角。判别位置角θ的区间，当转子位置处于[-22.5°，-7.5°]区间时，A相绕组断开不工作；当转子位置处于[-7.5°，7.5°]区间时，A相绕组作为悬浮相，通入不对称电流以提供悬浮力；当转子位置处于[7.5°，22.5°]区间时，A相绕组作为发电相，通过控制器判断位置角处于励磁区间还是续流发电区间。
步骤C，当转子进入悬浮区间，根据最小铜耗原理得到当悬浮区间平均悬浮电流is *等于X轴或Y轴方向上任意差分电流Δis1 *或Δis2 *时悬浮区间铜损耗达到最小。为保证具有同一个平均悬浮电流is *，取FX *、FY *中的一个较大值，这里取FY *，使is *等于Δis2 *。根据以下公式
FY *＝20Dis *Δis2 * (1)
Figure BDA0002107128230000051
其中D为悬浮力系数，N为线圈匝数，μ0为真空磁导率，r为转子半径，lg为定转子齿间气隙长度，h为电机轴向长度。
已知Y轴方向上的悬浮力FY *，并且is *等于Δis2 *可以根据式(1)和式(2)计算出平均悬浮电流is *；
步骤D，获得悬浮绕组参考电流值；
根据以下公式
Figure BDA0002107128230000052
is2 *＝is *+Δis2 *＝2is * (4)
Figure BDA0002107128230000053
is4 *＝is *-Δis2 *＝0 (6)
可以分别求出is1 *、is2 *、is3 *和is4 *，is1 *、is2 *、is3 *和is4 *分别表示悬浮绕组的X轴正向参考电流、Y轴正向参考电流、X轴负向参考电流和Y轴负向参考电流；
步骤E，采用滞环控制，将悬浮绕组电流控制在悬浮绕组参考电流值，如果实际电流值大于参考电流值，控制器输出低电平驱动信号，关断绕组电压，电流迅速下降；反之，则输出高电平驱动信号，使相应的开关管开通，母线电压加在绕组两端，电流缓慢上升；通过电流滞缓控制，使电流稳定在给定电流附近。
步骤F，当转子进入发电区间，根据公式
Figure BDA0002107128230000054
其中Bsat为材料饱和磁密,μ0为真空磁导率，N为定子齿线圈匝数，lg为气隙长度。
计算出铁芯材料达到磁饱和时最佳励磁电流ic *，将给定输出电压与实际输出电压之差经过PI调节器与限幅器，获得所述最佳励磁电流ic *参考值，通过励磁电压源以及斩波控制控制开关管使实际电流稳定在给定最佳励磁参考电流附近。当电流达到最佳励磁电流后，关断开关管进行续流发电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机的发电控制方法，其特征在于：单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机包括凸极结构定子、凸极结构转子和线圈，其中：
所述凸极结构定子有12个齿，所述凸极结构转子有8个齿，所述线圈共有12个，每个线圈缠绕在凸极结构定子齿上，彼此相互断开，各线圈电流均为独立控制；每个定子齿极上只有一个线圈；
电机为三相制电机，每相绕组都由四个空间上相隔90°的定子齿上的线圈构成，每相绕组中的磁通呈NSNS分布，最终12个绕组在空间上呈相差30°的三相绕组；
对于每相绕组，当其各线圈电感随转子位置上升时，该相绕组不工作，当其各线圈电感随转子位置不变时，该相绕组用作悬浮绕组，当其各线圈电感随转子位置下降时，该相绕组用作发电绕组；
电机始终运行在双相导通模式，当A相绕组提供悬浮力时，B相绕组发电运行，当B相绕组提供悬浮力时，C相绕组发电运行，依次类推；在悬浮区间通入不对称电流以提供悬浮力，并且根据最小铜耗原则来控制电流大小；把发电区间分为励磁区间以及续流发电区间，在励磁区间通过励磁电压源以及斩波控制使电流在短时间内达到计算得到的最佳励磁电流，在续流发电区间关断开关管进行续流发电；
包括以下步骤：
步骤A，依据悬浮绕组其四个线圈在空间中的位置建立直角坐标系，坐标轴分别称为X轴和Y轴，将给定电机转子位移与实际电机转子位移之差经过PID调节器，输出X轴方向上的给定悬浮力FX *、Y轴方向上的给定悬浮力FY *；当FX *大于零时，表示FX *指向X轴正方向；当FY *大于零时，表示FY *指向Y轴正方向；
步骤B，定义定转子齿极中心线对齐位置为0°角，判别位置角θ的区间，当转子位置处于[-22.5°，-7.5°]区间时，A相绕组断开不工作；当转子位置处于[-7.5°，7.5°]区间时，A相绕组作为悬浮相，通入不对称电流以提供悬浮力；当转子位置处于[7.5°，22.5°]区间时，A相绕组作为发电相，通过控制器判断位置角处于励磁区间还是续流发电区间；
步骤C，根据最小铜耗原理保证铜损耗达到最小，提高了电流利用率，同时保证具有同一个平均悬浮电流，并且计算出铁芯材料达到磁饱和时最佳励磁电流；当转子进入悬浮区间，根据最小铜耗原理得到当悬浮区间平均悬浮电流is *等于X轴方向上任意差分电流Δis1 *、或当悬浮区间平均悬浮电流is *等于Y轴方向上任意差分电流Δis2 *时悬浮区间铜损耗达到最小；为保证具有同一个平均悬浮电流is *，取FX *、FY *中的一个较大值，这里取FY *，使is *等于Δis2 *；根据以下公式：
FY *＝20Dis *Δis2 * (1)
Figure FDF0000017985690000021
其中，D为悬浮力系数，N为线圈匝数，μ0为真空磁导率，r为转子半径，lg为定转子齿间气隙长度，h为电机轴向长度；
根据Y轴方向上的悬浮力FY *，并且is *等于Δis2 *由式(1)和式(2)计算出平均悬浮电流is *；
步骤D，获得悬浮绕组参考电流值；
根据以下公式
Figure FDF0000017985690000022
is2 *＝is *+Δis2 *＝2is * (4)
Figure FDF0000017985690000023
is4 *＝is *-Δis2 *＝0 (6)
分别求出is1 *、is2 *、is3 *和is4 *，is1 *表示悬浮绕组的X轴正向参考电流、is2 *表示Y轴正向参考电流、is3 *表示X轴负向参考电流和is4 *表示Y轴负向参考电流；
步骤E，采用滞环控制，将悬浮绕组电流控制在悬浮绕组参考电流值，如果实际电流值大于参考电流值，控制器输出低电平驱动信号，关断绕组电压，电流迅速下降；反之，则输出高电平驱动信号，使相应的开关管开通，母线电压加在绕组两端，电流缓慢上升；通过电流滞缓控制，使电流稳定在给定电流附近；
步骤F，当转子进入发电区间，根据公式
Figure FDF0000017985690000024
其中，Bsat为材料饱和磁密，μ0为真空磁导率，N为定子齿线圈匝数，lg为气隙长度；
计算出铁芯材料达到磁饱和时最佳励磁电流ic *，将给定输出电压与实际输出电压之差经过PI调节器与限幅器，获得所述最佳励磁电流ic *参考值，通过励磁电压源以及斩波控制控制开关管使实际电流稳定在给定最佳励磁参考电流附近；当电流达到最佳励磁电流后，关断开关管进行续流发电。
2.根据权利要求1所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机的发电控制方法，其特征在于：所述凸极结构定子的每个齿的极弧角为15°。
3.根据权利要求2所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻电机的发电控制方法，其特征在于：所述凸极结构转子的每个齿的极弧角为30°。
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