[发明专利]一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法

权利要求书

1.一种混合磁轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子、磁轴承定子、磁轴承转子、转矩线圈、悬浮线圈和转轴；

所述磁阻电机定子与磁轴承定子串联紧密布置，所述磁阻电机转子与磁轴承转子串联紧密布置；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°；所述磁阻电机定子的极弧角与磁阻电机转子的极弧角相等，极弧角均为15°；

所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，所述磁轴承转子为圆柱结构；

4个磁轴承定子齿与4个磁阻电机定子齿对齐，且串联紧密布置，共构成4个悬浮力定子齿，其中2个相隔180°的悬浮力定子齿位于水平方向，剩余2个相隔180°的悬浮力定子齿位于竖直方向；

所述4个悬浮力定子齿上均绕有1个悬浮线圈，共4个悬浮线圈，组成A相绕组；磁阻电机定子剩余的8个齿上均绕有1个转矩线圈，共8个；

4个相隔90°的转矩线圈串联，构成B相转矩绕组；剩余4个相隔90°的转矩线圈串联，构成C相转矩绕组；B相转矩绕组与C相转矩绕组在空间上相差30°；

所述4个悬浮线圈独立控制，其中绕在水平正方向悬浮力定子齿上的悬浮线圈为水平正方向悬浮绕组，绕在水平负方向悬浮力定子齿上的悬浮线圈为水平负方向悬浮绕组，绕在竖直正方向悬浮力定子齿上的悬浮线圈为竖直正方向悬浮绕组，绕在竖直负方向悬浮力定子齿上的悬浮线圈为竖直负方向悬浮绕组。

2.根据权利要求1所述的一种混合磁轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，A相4个悬浮绕组恒导通产生悬浮力，并在半个转子周期产生正转矩，在剩余半个转子周期产生负转矩；B相和C相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；通过独立控制A相4个悬浮绕组电流的大小，以调节悬浮力，且悬浮绕组电流在一个转子周期内产生的正负转矩对称相等，平均转矩为零，故平均转矩与悬浮力解耦；通过控制B、C两相转矩绕组电流的大小，以调节输出转矩，转矩绕组电流仅作为悬浮绕组电流计算的一个中间变量，与悬浮控制无关，故转矩控制与悬浮控制相互独立；包括如下步骤：

步骤A，采集磁阻电机转子实时位置角θ，判别各相励磁状态；

步骤A-1，定义θ＝0时的磁阻电机转子位置为悬浮力定子齿与磁阻电机转子齿对齐的位置，一个磁阻电机转子周期角为45°，A相4个悬浮绕组恒导通，且每个悬浮力控制的导通区间均为[-22.5°，22.5°]，令θ＝0时4个悬浮绕组开始励磁导通；

步骤A-2，当θ＝θ_onb时，开通B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相开始励磁导通，当θ＝θ_offb时，关断B相转矩绕组功率电路的功率开关，B相结束励磁；其中，θ_onb和θ_offb分别为B相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，θ_onb的取值范围为[-7.5°，0]，B相转矩绕组的导通角为(θ_offb-θ_onb)，其取值范围为[15°，20°]；

步骤A-3，当θ＝θ_onc时，开通C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相开始励磁导通，当θ＝θ_offc时，关断C相转矩绕组功率电路的功率开关，C相结束励磁；其中，θ_onc和θ_offc分别为C相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，θ_onc＝θ_onb+15°，θ_offc＝θ_offb+15°；

步骤B，获取x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力具体步骤如下：

步骤B-1，获取转子在x轴和y轴方向的实时位移信号α和β，其中，x轴与水平方向悬浮力定子齿中心线重合，y轴与竖直方向悬浮力定子齿中心线重合，x轴与y轴在空间上相差90°；

步骤B-2，将实时位移信号α和β分别与给定的参考位移信号α^*和β^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα和Δβ，将所述实时位移信号差Δα和Δβ经过比例积分微分控制器，得到所述x轴方向给定悬浮力和y轴方向给定悬浮力

步骤C，调节转矩，具体步骤如下：

步骤C-1，采集磁阻电机转子实时转速，计算得到磁阻电机转子角速度ω；

步骤C-2，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C-3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得转矩绕组电流参考值i_m^*；

步骤C-4，利用电流斩波控制方法，以实际的转矩绕组电流i_m跟踪转矩绕组电流参考值i_m^*，进而实时调节转矩绕组电流i_m，进而达到调节转矩的目的；

步骤D，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤D-1，根据所述x轴方向给定悬浮力y轴方向给定悬浮力和转矩绕组电流参考值i_m^*，以及电流计算公式和解算得到x轴方向悬浮绕组电流差的参考值和y轴方向悬浮绕组电流差的参考值

其中，k_i为第i悬浮区间的悬浮力系数，第1悬浮区间为θ∈[-22.5°，-15°]，第2悬浮区间为θ∈[-15°，0]，第3悬浮区间为θ∈[0，-15°]，第4悬浮区间为θ∈[15°，22.5°]，每个区间的悬浮力系数分别为：

式中，μ₀为真空磁导率，l₁为磁轴承的轴向长度，r₁为磁轴承转子的半径，α_s为磁轴承定子的极弧角，单位为度，δ₁为磁轴承的单边气隙长度，N_s为悬浮绕组匝数，l₂为开关磁阻电机的轴向长度，r₂为开关磁阻电机转子的半径，δ₂为开关磁阻电机的单边气隙长度，开关磁阻电机定、转子极弧角度均为15°；

步骤D-2，根据所述和以及电流计算公式和解算得到四个悬浮绕组电流的参考值和

步骤D-3，利用电流斩波控制方法，让四个悬浮绕组的实际电流i_s1、i_s2、i_s3和i_s4分别跟踪其参考值和从而实时调节每个悬浮区间内的悬浮力，进而实现每个转子周期的悬浮运行。