[发明专利]一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法

说明书

本发明公布了一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法，所述系统由一个开关磁阻电机、两个径向磁轴承和两个锥形磁轴承构成，其中一个径向磁轴承和一个锥形磁轴承布置在开关磁阻电机一侧，而其余两个布置于开关磁阻电机另一侧；四个磁轴承的偏置绕组串联构成一套偏置绕组，并四个二极管一起串联到开关磁阻电机电枢绕组功率电路的直流母线中；旋转控制与传统开关磁阻电机控制方式相同；五个方向悬浮力仅与偏置电流和每个方向悬浮绕组电流有关，悬浮力间相互解耦；另外，偏置绕组电流仅与三相电枢电流相关，且不独立控制，转矩与悬浮力间可解耦控制。本发明电机系统集成度高，绕组结构简单，控制变量少，悬浮控制简单，功率变换器成本低。

技术领域

本发明涉及一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法，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，传统永磁偏置式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，且轴向悬浮力与控制绕组电流的平方相关，不利于系统的简化和可靠性。悬浮力之间存在强耦合，也增加了悬浮系统的控制难度，同时悬浮控制的精度也随之降低。

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，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。

为此，发展集成度高、控制简单、功率变换器成本低、且悬浮力间相互解耦、以及转矩与悬浮力间可解耦控制的五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统，是目前该领域的研究热点之一。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法。所述悬浮转子系统是一种悬浮力相互解耦、悬浮力和转矩可解耦控制、及悬浮控制对象较少的新型五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统；所述控制方法可独立控制电枢绕组电流和悬浮绕组电流，旋转和悬浮系统间相互解耦，彼此影响弱；由于磁轴承偏置绕组仅通过四个二极管串联在三相电枢绕组不对称半桥功率变换器中的直流母线中，无需单独控制，不需要额外的开关管，功率变换器集成度高，且成本较低；另外由于四个二极管对偏置绕组的稳压作用，使得偏置电流基本为恒值，便于悬浮电流的跟踪与控制；还有，五自由度悬浮控制类似磁悬浮轴承，采用恒导通控制策略，并且仅需控制五个方向悬浮绕组电流，即可产生所需的五个方向悬浮力，控制变量少，悬浮力与悬浮绕组电流呈正比关系，悬浮控制简单。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统，包括锥形磁轴承Ⅰ、径向磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机、径向磁轴承Ⅱ和锥形磁轴承Ⅱ；所述锥形磁轴承Ⅰ和径向磁轴承Ⅰ布置在开关磁阻电机一侧，而径向磁轴承Ⅱ和锥形磁轴承Ⅱ布置在开关磁阻电机另一侧；

所述锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、轴向偏置线圈Ⅰ和轴向悬浮线圈Ⅰ构成；

所述锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、轴向偏置线圈Ⅱ和轴向悬浮线圈Ⅱ构成；

所述径向磁轴承Ⅰ由径向定子Ⅰ、径向转子Ⅰ、径向偏置线圈Ⅰ和径向悬浮线圈Ⅰ构成；

所述径向磁轴承Ⅱ由径向定子Ⅱ、径向转子Ⅱ、径向偏置线圈Ⅱ和径向悬浮线圈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线圈构成；