CN116169801B - 一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机及其控制方法，涉及无轴承双凸极电机的技术领域。本发明包括：包括定子铁心、转子铁心、电枢绕组、励磁绕组、X径向悬浮绕组、Y径向悬浮绕组、轴向定子1、轴向定子2、轴向电枢绕组、轴向励磁绕组、电枢绕组控制器、励磁绕组控制器、径向悬浮绕组控制器、轴向电枢绕组控制器以及轴向励磁绕组控制器；轴向电枢线圈嵌绕在每个轴向定子极上，前后两轴向定子采用同一套轴向电枢绕组；每三个轴向定子极嵌绕一套轴向励磁线圈，轴向励磁线圈依次连接后形成轴向励磁绕组，前后两轴向定子采用不同轴向励磁绕组。两套轴向励磁绕组控制器控制轴向励磁电流，为电机提供功率与轴向推力。

Description

一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及无轴承双凸极电机的技术领域，尤其涉及一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机及其控制方法。
背景技术
电励磁双凸极电机定转子结构与开关磁阻电机相似，具有较高的可靠性与鲁棒性。此外，直流励磁源激发产生的定子正交直流偏置磁场也为转子悬浮以及简化悬浮控制方法创造了条件。将无轴承技术与电励磁双凸极电机相结合，构成无轴承电励磁双凸极电机，励磁绕组产生的励磁磁通作为偏置磁场，与悬浮绕组产生的悬浮磁场叠加，导致定子两侧的气隙磁密不同，进而转子会受到径向的悬浮力，实现转子磁悬浮。这种电机结构相对简单可靠，且转子上无绕组，适合高温高速的运行环境，做发电运行时，也不需要位置传感器，只需经过不控整流电路整流即可。总的来说，无轴承电励磁双凸极电机具有很多优点，应用前景广阔。
无轴承电励磁双凸极电机中的悬浮绕组为直流电，且悬浮绕组产生的磁场正交，互感为零，故障可退磁，因此无轴承电励磁双凸极电机磁悬浮控制性能较为优异。但普通的无轴承电励磁双凸极电机无法实现轴向悬浮控制，削弱了无轴承电励磁双凸极电机本体可靠的重要优势，因此如何增加轴向悬浮力亟需研究。专利CN201510360500.0公开了一种电磁式无轴承双凸极电机及其悬浮力解耦控制方法，该电机空间径向相对位置上的悬浮线圈连接后分别形成产生正交悬浮磁场的α轴方向悬浮绕组、β轴方向悬浮绕组，采用独立悬浮绕组控制悬浮力避免了非线性耦合问题，单独控制悬浮电流和励磁电流以实现电机输出与悬浮之间的相互解耦。此方案中电机无法实现轴向悬浮。
因此，如何进一步改进无轴承电励磁双凸极电机，使之能够提供轴向功率和悬浮力，成为了需要进一步研究的问题。
发明内容
本发明的实施例提供一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机及其控制方法，在原无轴承电励磁双凸极电机的基础上，通过轴向定子上的电枢绕组与励磁绕组，使电机能够输出轴向功率，同时实现轴向悬浮控制。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：设计一种可提供轴向功率与悬浮力的无轴承双凸极电机，采用12/8极结构，可与多电发动机同轴安装。该无轴承双凸极电机包括：定子铁心、转子铁心、电枢线圈、励磁线圈、径向悬浮线圈、轴向定子1、轴向定子2、轴向电枢线圈、轴向励磁线圈。所述定子铁心由12个定子齿极构成，定子齿极采用平行齿结构，有4个大槽和8个小槽，用于放置绕组。所述电枢线圈绕在每个定子齿极上，电枢线圈三个为一组，每相电枢线圈绕线方向与该部分励磁线圈绕线相同；所述励磁线圈放置在定子的大槽中，每三个定子齿极嵌绕一套励磁线圈，共有四套励磁线圈，每套励磁线圈绕制方式相同。所述径向悬浮线圈放置在定子大槽中，每三个定子齿极嵌绕一套径向悬浮线圈，空间径向位置上的悬浮线圈反向串联后分别构成X和Y方向悬浮绕组。。所述转子铁心径向共有8个转子齿极，轴向每侧有8个轴向转子齿。所述轴向定子共12个轴向定子齿极；所述轴向电枢线圈采用梯形结构，嵌绕在每个轴向定子极上。每相轴向电枢线圈磁通变化规律与该部分轴向励磁线圈相同，前后两轴向定子采用同一套轴向电枢绕组。每三个轴向定子极嵌绕一套轴向励磁线圈，轴向励磁线圈依次连接后形成轴向励磁绕组，前后两轴向定子采用不同轴向励磁绕组。以轴向定子1的励磁绕组为例，第一套轴向励磁线圈的出线端与顺时针方向的第二套轴向励磁线圈的接线端串联，第二套轴向励磁线圈的出线端与其顺时针方向的第三套轴向励磁线圈的接线端串联，第三套轴向励磁线圈的出线端与其顺时针方向的第四套轴向励磁线圈的接线端串联，四套轴向励磁线圈依次串联后整体构成轴向励磁绕组，轴向励磁绕组的接线端和出线端与轴向励磁绕组控制器接线端相连接。轴向定子2的励磁绕组绕线方法同轴向定子1。作为可提供轴向功率与悬浮力的无轴承双凸极电机的进一步优化方案，所述转子铁心由纯铁构成，转子铁心长度比定子铁心长1/5，转子齿极向外延伸，构成轴向转子齿极，轴向转子齿极由纯铁材料构成，转子形式既可以采用内转子，也可以采用外转子。
基于该无轴承双凸极电机的径向悬浮电流的控制方法包括：通过径向位移传感器检测转子实际径向位移，转子实际径向位移与给定径向位移做差后经过PID环节转化为悬浮电流参考值，悬浮电流参考值与实际悬浮电流做差，输出信号作为PI环节的输入信号，PI输出占空比后通过调节径向悬浮电流控制电路中开关器件的开通关断以实现径向悬浮电流的调节，进而控制转子径向位移。
基于该无轴承双凸极电机的轴向电枢电流控制方法包括：通过转子角度位置传感器检测转子的实际位置，根据转子角度实际位置调节轴向电枢绕组控制电路中开关器件的通断，从而实现端板电枢电流的换相调节。
基于该无轴承双凸极电机的轴向励磁电流控制方法包括：通过轴向位移传感器检测转子实际轴向位移，转子实际轴向位移与给定轴向位移做差后经过PID环节调制，转化为轴向励磁电流参考值，轴向励磁电流参考值与轴向定子1中的轴向励磁电流给定相加，与轴向定子2中的轴向励磁电流给定做差，输出信号分别作为两端轴向励磁电流给定，轴向励磁电流给定与实际轴向励磁电流做差后经过PI环节输出占空比信号，轴向励磁电流控制器根据占空比控制开关管的开通关断以实现轴向励磁电流的调节。其中，所述轴向励磁电流控制电路可以采用全桥逆变电路，所述轴向电枢电流控制电路可以采用三相全桥逆变电路。
本发明实施例提供的三自由度悬浮的无轴承双凸极电机及其控制方法，在原无轴承电励磁双凸极电机的基础上，通过轴向定子上的电枢绕组与励磁绕组，使电机能够输出轴向功率，同时实现轴向悬浮控制。该结构不仅继承了无轴承电励磁双凸极电机结构简单可靠、发电控制灵活、偏置磁场由直流电提供等优点，同时轴向电枢绕组可以为电机提供更高的功率密度，轴向励磁绕组产生的磁场可以为电机提供轴向的推力，提高了飞机的轴向负载能力，实现转子轴向悬浮，从而进一步提高了电机系统功率密度和效率。
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(a)至图1(f)为本发明实施例提供的可提供轴向功率与悬浮力的无轴承双凸极电机整体结构图、转子铁心结构图、轴向定子结构图、轴向绕组分布图、轴向励磁绕组展开图、轴向电枢绕组展开图；
图2为本发明实施例提供的可提供轴向功率与悬浮力的无轴承双凸极电机的轴向悬浮控制流程图；
图3为本发明实施例提供的可提供轴向功率与悬浮力的无轴承双凸极电机的轴向驱动控制流程图；
图4为本发明实施例提供的可提供轴向功率与悬浮力的无轴承双凸极电机的轴向电枢电流控制电路；
图5为本发明实施例提供的可提供轴向功率与悬浮力的无轴承双凸极电机的轴向励磁电流控制电路；
图6为本发明实施例提供的空间径向位置上的悬浮线圈的示意图；
图7为本发明实施例提供的定子铁心的内部开槽的示意图。
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。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术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。
本实施例旨在设计一种可提供轴向功率与悬浮力的无轴承双凸极电机方案。大致的思路是在原无轴承电励磁双凸极电机的基础上，通过轴向定子上的电枢绕组与励磁绕组，使电机能够输出轴向功率，同时实现轴向悬浮控制。该结构不仅继承了无轴承电励磁双凸极电机结构简单、发电控制灵活、偏置磁场由直流电提供等优点，同时轴向电枢绕组可以为电机提供更高的功率密度，轴向励磁绕组产生的磁场可以为电机提供轴向的推力，提高了飞机的轴向负载能力，实现转子轴向悬浮。
本发明实施例提供一种用于提供轴向功率和轴向悬浮力的无轴承双凸极电机，具体的结构如图1(a)至图1(f)所示的，其中图1(a)为电机整体结构。所述无轴承双凸极电机的组成部分包括：定子铁心、电枢线圈Nm、励磁线圈Nf、转子铁心、X径向悬浮线圈Nx、Y径向悬浮线圈Ny、轴向定子1、轴向定子2、轴向电枢线圈Nzm和轴向励磁线圈Nzf；其中，所述轴向定子的齿极面积与所述轴向转子的齿极面积相同。在完成安装的最终成品中，轴向定子与定子铁心无物理联系。本实施例中的“励磁线圈”是嵌绕在定子铁心当中线圈，而“轴向励磁线圈”是嵌绕在轴向定子当中的线圈。另外，本实施例中将“绕组”统一标识为“W”,如轴向励磁绕组“Wzf”；以及将“线圈”统一标识为“N”,如轴向励磁线圈“Nzf”以作区分。
所述转子铁心的长度长于所述定子铁心，其中，所述转子铁心安装在所述轴向定子1和所述轴向定子2之间。在所述定子铁心中，包括：12个定子齿极沿轴向均匀分布在所述定子铁心的表面。以及，如图1(b)所示的，所述转子铁心上沿着径向共有8个转子齿极，轴向每侧有8个轴向转子齿。
每个轴向定子齿极上绕制一个轴向电枢线圈Nzm，并将三个相邻的定子齿极为一组，共有4组，其中，每一组中的三个轴向电枢线圈Nzm分别属于A相、B相和C相；各组中同相的轴向电枢线圈Nzm组成该相的轴向电枢绕组Wzm；每一组的定子齿极嵌绕一套轴向励磁线圈Nzf，所述励磁线圈放置在定子的大槽中，每三个定子齿极嵌绕一套励磁线圈，共有四套励磁线圈，每套励磁线圈绕制方式相同。其中，在同一组中，轴向电枢线圈Nzm绕线方向与轴向励磁线圈Nzf绕线方向相同；例如：图1(d)为轴向绕组分布图，每三个定子齿极嵌绕一套轴向励磁线圈，分布在轴向定子上下左右四个区域，轴向电枢线圈采用梯形结构嵌绕在每个轴向定子极上，每相轴向电枢线圈依次分布在轴向定子上下左右四个部分，每个部分轴向电枢绕组链磁通变化规律与该部分轴向励磁线圈相同，每相轴向电枢绕组有两个出线端，三相总共有六个出线端，分别为A、B、C、X、Y、Z，前后两轴向定子采用同一套轴向电枢绕组。
轴向定子1的轴向励磁绕组与轴向定子2的轴向励磁绕组相互独立，同时，轴向定子1的轴向励磁绕组和轴向定子2的轴向励磁绕组的绕制方式相同。其中，轴向定子1与轴向定子2的轴向励磁绕组是两个完全独立的绕组，二者完全没有物理上的连接。二者通入不同的电流后，转子轴向两侧形成磁密差，从而形成轴向推力。具体的，轴向定子1与轴向定子2共用一套轴向电枢绕组，其中，在这一套轴向电枢绕组的绕制过程中，轴向电枢绕组在轴向定子1上完成绕制之后，继续在轴向定子2上绕制，使得轴向定子1上的轴向电枢绕组与轴向定子2上的轴向电枢绕组采用的是同一根导线。
具体举例来说，图1(b)为转子铁心结构图，转子铁心长度比定子铁心长1/5，转子齿极向外延伸，构成转子轴向齿极；图1(c)为轴向定子结构图，12个轴向定子齿极均匀分布在表面，轴向定子齿极面积与轴向转子齿极面积相同。图1(d)为轴向绕组分布图，每三个定子极嵌绕一套轴向励磁线圈Nzf，四套轴向励磁线圈Nzf分布在轴向定子上下左右四个区域，依次连接后构成轴向励磁绕组Wzf，前后两轴向定子采用两套不同的轴向励磁绕组。轴向电枢线圈Nzm采用梯形结构嵌绕在每个轴向定子极上，每相轴向电枢线圈依次分布在轴向定子上下左右四个部分，每个部分轴向电枢绕组绕线方向与该部分轴向励磁线圈绕线方向相同，每相轴向电枢绕组有两个出线端，三相总共有六个出线端，分别为A、B、C、X、Y、Z，前后两轴向定子采用同一套轴向电枢绕组。以上方的轴向励磁线圈为第一套轴向励磁线圈，第一套轴向励磁线圈从槽1绕入，顺时针方向从槽4绕出，其出线端与右侧第二套轴向励磁线圈进线端连接；第二套轴向励磁绕组从槽7绕入，逆时针方向从槽4绕出，其出线端与下方第三套轴向励磁线圈进线端连接；第三套轴向励磁线圈从槽7绕入，顺时针方向从槽10绕出，其出线端与左侧第四套轴向励磁线圈进线端连接；第四套轴向励磁线圈从槽1绕入，顺时针方向从槽10绕出。四套轴向励磁线圈连接后构成轴向励磁绕组，轴向励磁绕组的进线端与出线端与轴向悬浮控制器相连接。轴向定子1与轴向定子2的轴向励磁绕组绕线方式相同。
图1(e)为轴向电枢绕组展开图，A相轴向电枢绕组的第一套轴向电枢线圈从槽2绕入，顺时针方向从槽3绕出，其出线端与右侧第二套轴向A相电枢线圈进线端连接；第二套轴向A相电枢线圈从槽6绕入，逆时针方向从槽5绕出，其出线端与下方第三套轴向A相电枢线圈进线端连接；第三套轴向A相电枢线圈从槽8绕入，顺时针方向从槽9绕出，其出线端与左侧第四套轴向A相电枢线圈进线端连接；第四套轴向A相电枢线圈从槽12绕入，顺时针方向从槽11绕出；四套轴向A相电枢线圈连接后，再与另一轴向定子上的轴向A相电枢线圈连接，八套轴向A相电枢线圈依次连接后组成轴向A相电枢绕组；B相轴向电枢绕组的第一套轴向电枢线圈从槽3绕入，顺时针方向从槽4绕出，其出线端与右侧第二套轴向B相电枢线圈进线端连接；第二套轴向B相电枢线圈从槽7绕入，逆时针方向从槽6绕出，其出线端与下方第三套轴向B相电枢线圈进线端连接；第三套轴向B相电枢线圈从槽9绕入，顺时针方向从槽10绕出，其出线端与左侧第四套轴向B相电枢线圈进线端连接；第四套轴向B相电枢线圈从槽1绕入，顺时针方向从槽12绕出；四套轴向B相电枢线圈连接后，再与另一轴向定子上的轴向B相电枢线圈连接，八套轴向B相电枢线圈依次连接后组成轴向B相电枢绕组；C相轴向电枢绕组的第一套轴向电枢线圈从槽1绕入，顺时针方向从槽2绕出，其出线端与右侧第二套轴向C相电枢线圈进线端连接；第二套轴向C相电枢线圈从槽5绕入，逆时针方向从槽4绕出，其出线端与下方第三套轴向C相电枢线圈进线端连接；第三套轴向C相电枢线圈从槽7绕入，顺时针方向从槽8绕出，其出线端与左侧第四套轴向C相电枢线圈进线端连接；第四套轴向C相电枢线圈从槽11绕入，顺时针方向从槽10绕出；四套轴向C相电枢线圈连接后，再与另一轴向定子上的轴向C相电枢线圈连接，八套轴向C相电枢线圈依次连接后组成轴向C相电枢绕组。ABC三相轴向电枢绕组的接线端和出线端与轴向电枢绕组控制器接线端相连接。
在本实施例中，每一组的定子齿极上可以嵌绕一套径向悬浮线圈，所述径向悬浮绕组放置在定子大槽中，如图6所示的，空间径向位置上的悬浮线圈反向串联后分别构成X径向悬浮绕组Wx和Y径向悬浮绕组Wy，因此对于同一绕组，组成绕组的线圈产生的磁通方向相反。
在优选方案中，如图7所示的，所述定子铁心的12个定子齿极，采用平行齿结构，轴向电枢线圈Wzm采用梯形结构，嵌绕在每个轴向定子齿极上；所述定子铁心的12个定子齿极之间，形成12个槽包括4个大槽和8个小槽，用于放置绕组。需要说明的是，此处的“大槽”与“小槽”是对于定子铁心而言的划分方式，轴向定子采用的是均匀槽且无大小槽之分。
本实施例中的轴向定子2的励磁绕组绕线方式与轴向定子1相同，在轴向定子1中，
所述轴向定子1中的4套轴向励磁线圈依次串联后，构成所述轴向定子1的轴向励磁绕组；其中，所述轴向定子1的轴向励磁绕组的接线端和出线端，都与轴向励磁绕组控制器的接线端相连接。例如：图1(e)为轴向励磁绕组展开图，以上方的轴向励磁线圈为第一套轴向励磁线圈，第一套轴向励磁线圈从槽1绕入，顺时针方向从槽4绕出，其出线端与右侧第二套轴向励磁线圈进线端连接；第二套轴向励磁绕组从槽7绕入，逆时针方向从槽4绕出，其出线端与下方第三套轴向励磁线圈进线端连接；第三套轴向励磁线圈从槽7绕入，顺时针方向从槽10绕出，其出线端与左侧第四套轴向励磁线圈进线端连接；第四套轴向励磁线圈从槽1绕入，顺时针方向从槽10绕出。
所述转子铁心的转子齿极向背离转子轴的方向延伸，构成转子轴向齿极。在实际应用中，轴向转子齿极、轴向定子1和轴向定子2的制作材料并不限定，比如可以由铁材料构成，在制造端会将用于制造转定子的铁材料称之为“纯铁”。转子形式既可以采用内转子，也可以采用外转子。所述转子铁心的长度α，大于所述定子铁心的长度β，且α＝[6/5β，4/3β]。
本实施例中还提供一种用于上述无轴承双凸极电机的控制方法，如图2、3所示的，包括：
S1、通过径向位移传感器检测所述无轴承双凸极电机的转子铁心的实际径向位移Z，并将Z与给定轴向位移Z*做差后经过PID环节调制，转化为轴向励磁电流参考值isf *；
S2、将isf *与轴向定子1的轴向励磁电流给定值isd1 *相加，并输出轴向定子1一端的轴向励磁电流给定值izf1 *；同时，将isf *与轴向定子2的轴向励磁电流给定isd2 *做差并输出轴向定子2一端的轴向励磁电流给定值izf2 *；
S3、将izf1 *与轴向定子1一端的轴向励磁电流实际值izf1做差，同时，将izf2 *与轴向定子2一端的轴向励磁电流实际值izf2做差，所得到的两个差值分别输入PI环节；
S4、将经过所述PI环节输出的第一空比信号和第二空比信号，分别输入轴向励磁电流控制器1和轴向励磁电流控制器2，其中，两个轴向励磁电流控制器分别根据各自的空比信号和来控制各自的开关管的开通和关断。具体的，轴向励磁电流给定与实际轴向励磁电流做差后经过PI环节输出占空比信号，轴向励磁电流控制器根据占空比控制开关管的开通关断以实现轴向励磁电流的调节，通过在转子两端形成磁密差产生悬浮力，进而控制转子轴向位移。
具体举例来说，图2显示了轴向悬浮控制流程图，通过轴向位移传感器检测转子实际轴向位移Z，转子实际轴向位移与给定轴向位移Z*做差后经过PID环节调制，转化为轴向励磁电流参考值isf *，轴向励磁电流参考值isf *与轴向定子1中的轴向励磁电流给定isd *相加，与轴向定子2中的轴向励磁电流给定isd *做差，输出信号izf1 *和izf2 *分别作为两端轴向励磁电流给定，轴向励磁电流给定与实际轴向励磁电流做差后经过PI环节输出占空比信号，轴向励磁电流控制器根据占空比控制开关管的开通关断以实现轴向励磁电流的调节，通过在转子两端形成磁密差产生悬浮力，进而控制转子轴向位移。
图3显示了轴向电枢电流控制流程图，通过角度位置传感器检测所述无轴承双凸极电机转子实际角度θ，对转子实际角度进行微分计算后，得到转子实际角速度ω，将给定的转子参考角速度ω*与转子实际角速度做差得到△ω，轴向电枢电流控制器得到△ω、转子实际角度θ与检测到的轴向三相电枢电流iza、izb和izc后，输出轴向三相电枢电流，轴向三相电枢电流经过电流霍尔传感器反馈到轴向电枢电流控制器。
图4显示了本发明的轴向电枢电流控制电路，采用三相全桥逆变器，其中A-X，B-Y，C-Z分别为A相、B相、C相轴向电枢绕组，采用星型连接，全桥逆变器包括V1、V2、V3、V4、V5、V6六个MOSFET开关管、D1、D2、D3、D4、D5、D6六个二极管、轴向电枢绕组Wzma、Wzmb、Wzmc、滤波电容Cm、电枢电源Udcf。第一MOS管V1和第四MOS管V4串联，第三MOS管V3和第六MOS管V6串联，第二MOS管V2和第五MOS管V5串联，第一MOS管V1、第三MOS管V3、第五MOS管V5的阴极连接，第四MOS管V4、第六MOS管V6、第二MOS管V2的阳极连接。二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6分别连接在MOS管V1、V2、V3、V4、V5、V6两侧，Wzma、Wzmb、Wzmc三相绕组的输入端分别与第一MOS管V1源极、第二MOS管V2的源极、第三MOS管V3的源极连接。Wzma、Wzmb、Wzmc三相绕组的输出端相互连接构成中性点。
图5显示了本发明的轴向励磁电流控制电路：采用全桥逆变器，其中包括V7、V8、V9、V10四个MOSFET开关管、D7、D8、D9、D10四个二极管、轴向励磁绕组Wzf、滤波电容Cf、励磁电源Udcf。第七MOS管V7和第八MOS管V8串联，第九MOS管V9和第十MOS管V10串联，第七MOS管V7漏极、第九MOS管V19的漏极与直流电压源的正极连接，第八MOS管V8源极、第十MOS管V10的源极与直流电压源的负极连接，轴向励磁绕组Wzf的出线端分别与第七MOS管V7的源极、第九MOS管V9的源极连接，二极管D7、D8、D9、D10分别连接在MOS管V7、V8、V9、V10两侧。
进一步的，还包括：通过转子角度位置传感器检测所述无轴承双凸极电机的转子铁心的实际角度θ，并根据得到θ实际角速度ω，将给定的转子参考角速度ω*与ω做差得到△ω；将△ω、θ和电流霍尔传感器检测到的轴向三相电枢电流检测信号输入轴向电枢电流控制器，输出轴向三相电枢电流；输出的轴向三相电枢电流经过所述电流霍尔传感器后再反馈到所述轴向电枢电流控制器。
本实施例在实际应用中具有的优点，包括：(1)电机利用绕在轴向定子上的轴向电枢绕组和轴向励磁绕组实现电动/发电，充分利用了轴向空间，同时利用轴向励磁绕组产生的轴向磁场，可以实现电机轴向悬浮，增加了飞机轴向推力；(2)轴向电枢绕组和轴向励磁绕组产生的轴向磁场无需经过较长的导磁路径，铁心损耗较小；(3)轴向定子极上绕组贴近端盖，具有较大的接触面积，散热条件优良；(4)电机处于发电工作时，无论是径向部分还是轴向部分，均不需要依赖角度位置传感器，仅需调节励磁电流即可灵活调节输出电压，系统结构简单；(5)电机整体轴向尺寸短、结构紧凑，具有效率高、功率密度高等优点。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。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 (6)

1.一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机，其特征在于，所述无轴承双凸极电机的组成部分包括：定子铁心、电枢线圈（Nm）、励磁线圈（Nf）、转子铁心、X径向悬浮线圈（Nx）、Y径向悬浮线圈（Ny）、第一轴向定子（1）、第二轴向定子（2）、轴向电枢线圈（Nzm）和轴向励磁线圈（Nzf）；
所述转子铁心的长度长于所述定子铁心，其中，所述转子铁心安装在所述第一轴向定子（1）和所述第二轴向定子（2）之间；
在所述第一轴向定子（1）和第二轴向定子（2）中，包括：12个轴向定子齿极沿轴向均匀分布在所述第一轴向定子（1）和第二轴向定子（2）的表面；
每个轴向定子齿极上绕制一个轴向电枢线圈（Nzm），并将三个相邻的定子齿极为一组，共有4组，其中，每一组中的三个轴向电枢线圈（Nzm）分别属于A相、B相和C相；各组中同相的轴向电枢线圈（Nzm）组成该相的轴向电枢绕组（Wzm）；
每一组的定子齿极嵌绕一套轴向励磁线圈（Nzf），其中，在同一组中，轴向电枢线圈（Nzm）绕线方向与轴向励磁线圈（Nzf）绕线方向相同；
第一轴向定子（1）的轴向励磁绕组与第二轴向定子（2）的轴向励磁绕组相互独立，同时，第一轴向定子（1）的轴向励磁绕组和第二轴向定子（2）的轴向励磁绕组的绕制方式相同；
所述转子铁心上沿着径向共有8个转子齿极，轴向每侧有8个轴向转子齿；
第一轴向定子（1）与第二轴向定子（2）共用一套轴向电枢绕组，其中，在这一套轴向电枢绕组的绕制过程中，轴向电枢绕组在第一轴向定子（1）上完成绕制之后，继续在第二轴向定子（2）上绕制；
每一组的定子齿极嵌绕一套径向悬浮线圈，空间径向位置上的悬浮线圈反向串联后分别构成X径向悬浮绕组（Wx）和Y径向悬浮绕组（Wy）。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机，其特征在于所述定子铁心的12个定子齿极，采用平行齿结构，轴向电枢线圈（Nzm）采用梯形结构，嵌绕在每个轴向定子齿极上；
所述定子铁心的12个定子齿极之间，形成12个槽包括4个大槽和8个小槽。
3.根据权利要求1所述的一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机，其特征在于，第二轴向定子（2）的励磁绕组绕线方式与第一轴向定子（1）相同；
所述第一轴向定子（1）中的4套轴向励磁线圈依次串联后，构成所述第一轴向定子（1）的轴向励磁绕组；其中，所述第一轴向定子（1）的轴向励磁绕组的接线端和出线端，都与轴向励磁绕组控制器的接线端相连接。
4.根据权利要求1所述的一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机，其特征在于，所述转子铁心的转子齿极向背离转子轴的方向延伸，构成转子轴向齿极；
所述转子铁心的长度α，大于所述定子铁心的长度β，且α＝[(6/5)β，(4/3)β]。
5.一种三自由度悬浮的无轴承双凸极电机的控制方法，其特征在于，包括：
S1、通过径向位移传感器检测所述无轴承双凸极电机的转子铁心的实际径向位移Z，并将Z与给定轴向位移Z*做差后经过PID环节调制，转化为轴向励磁电流参考值isf *；
S2、将isf *与第一轴向定子（1）的轴向励磁电流给定值isd1 *相加，并输出第一轴向定子（1）一端的轴向励磁电流给定值izf1 *；同时，将isf *与第二轴向定子（2）的轴向励磁电流给定isd2 *做差并输出第二轴向定子（2）一端的轴向励磁电流给定值izf2 *；
S3、将izf1 *与第一轴向定子（1）一端的轴向励磁电流实际值izf1做差，同时，将izf2 *与第二轴向定子（2）一端的轴向励磁电流实际值izf2做差，所得到的两个差值分别输入PI环节；
S4、将经过所述PI环节输出的第一空比信号和第二空比信号，分别输入轴向励磁电流控制器1和轴向励磁电流控制器2，其中，两个轴向励磁电流控制器分别根据各自的空比信号和来控制各自的开关管的开通和关断。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：
通过转子角度位置传感器检测所述无轴承双凸极电机的转子铁心的实际角度θ，并根据得到θ实际角速度ω，将给定的转子参考角速度ω*与ω做差得到△ω；
将△ω、θ和电流霍尔传感器检测到的轴向三相电枢电流检测信号输入轴向电枢电流控制器，输出轴向三相电枢电流；
输出的轴向三相电枢电流经过所述电流霍尔传感器后再反馈到所述轴向电枢电流控制器。
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