[发明专利]一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机及控制方法

说明书

本发明公布了一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机及控制方法，属于磁悬浮电机及其控制领域。该电机包括1个12/8极开关磁阻电机和1个12极磁轴承，磁轴承的4个定子上均绕有1个悬浮绕组和1个偏置绕组；所有偏置绕组连接后再与磁阻电机的A相绕组串联，构成A相复合励磁绕组，采用恒导通的励磁方式，在磁轴承内产生偏置磁通，同时在磁阻电机内产生转矩；B和C相采用轮流励磁的方式，A相则在正负半周期内采用不对称励磁，以产生有效转矩；通过控制使A相不仅提供偏置磁通，而且还产生与另两相相等的平均转矩，进而使三相输出的平均输出转矩对称。本发明电机及控制方法磁轴承与磁阻电机隔离，磁路间无耦合，转矩与悬浮力解耦，功率系统成本低且控制简单。

技术领域

本发明涉及一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法，属于磁悬浮开关磁阻电机及其控制技术领域。

背景技术

无轴承开关磁阻电机是20世纪90年代发展起来的一种新型磁悬浮电机。无轴承开关磁阻电机因集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可有效解决高速运行时轴承摩擦带来的损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。

随着研究的不断深入，人们逐渐认识到，能否解决转矩和悬浮力有效输出区域间的制约，悬浮与旋转两功能是否能解耦控制、以及高速时悬浮控制精度好坏，对BSRM高速性能是否能得到充分发挥起着至关重要的作用。

另外，传统无轴承开关磁阻电机的功率变换器系统复杂，对双绕组结构而言，需要主绕组和悬浮绕组两套功率变换器，而对单绕组结构而言，每个绕组需要独立控制，即每个绕组均需要一个功率变换器，因此两种结构的功率变换器成本均较高，而且精确控制也更为困难，这些问题的存在严重限制了无轴承开关磁阻电机的应用。

为此，本发明提出了一种结构简单、功率变换器成本低、转矩与悬浮力可解耦控制的两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机，另外，由于磁轴承与开关磁阻电机相互隔离、二者仅存在电关系，磁路间无耦合，冗余性更强。磁轴承的偏置绕组与开关磁阻电机的一相绕组串联，构成一相转矩绕组，采用恒励磁导通方式，在磁轴承产生悬浮所需的偏置磁通外，还可通过有效控制使其在开关磁阻电机内产生一个有效输出转矩，该转矩的平均值与另两相的输出平均转矩相等，有利于改善三相输出转矩特性。

发明内容

本发明目的是提出一种结构简单、功率变换器成本低、转矩与悬浮力可解耦控制的两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种两自由度双绕组混合磁轴承开关磁阻电机，包括1个开关磁阻电机和1个磁轴承，所述开关磁阻电机与磁轴承串联布置；

所述开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈；

所述磁轴承，包括磁轴承定子、磁轴承转子、偏置线圈和悬浮线圈；

所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子分别套在转轴上；

所述磁阻电机定子为凸极结构，齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；

所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为12，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°，所述磁轴承转子为圆柱结构；

其特征在于，每个磁阻电机定子齿上绕有1个磁阻电机线圈，相隔90°的4个磁阻电机线圈串联，构成1个转矩绕组，共3个，分别为A转矩绕组、B相转矩绕组和C相转矩绕组，其中，B相转矩绕组、C相转矩绕组与A相转矩绕组在空间上分别相差30°和-30°；