[发明专利]一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法

说明书

本发明公布了一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法，属于磁悬浮电机及其控制领域。该电机由12/8极开关磁阻电机和4极磁轴承串联集合而成；4个悬浮绕组缠绕在磁轴承定子和与之对齐的4个磁阻电机定子之上，用于产生悬浮力；8个电枢绕组绕在其余8个磁阻电机定子上，用于产生转矩。控制中，悬浮绕组采用恒导通励磁，在磁轴承和磁阻电机内同时产生悬浮力；8个转矩绕组连接为两相，轮流励磁导通，在磁阻电机内产生转矩。本发明电机的控制方法每个正负半周期内，悬浮绕组电流对称，产生的正转矩与负转矩相等，平均转矩为零，故悬浮力与平均转矩解耦；另外，该正转矩还改善了电机启动性能，可克服传统两相电机启动难的缺点；且本发明结构简单，功率系统成本低且控制简单。

技术领域

本发明涉及一种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。

为此，NASA学者Morrison提出了一种混合磁轴承开关磁阻电机，该电机由定子为8极凸极结构，而转子则采用复合结构，由一个圆柱转子和8极凸极转子构成。四个处于水平和竖直的绕组恒导通产生悬浮力，另外四个绕组两两连接为两相，轮流导通产生转矩。由于圆柱转子可产生较大的悬浮力，故该电机的径向负载能力得到显著提升，同时其具有全转子位置均具有悬浮轴承的能力。

然而，由于磁轴承与开关磁阻电机共用一个定子，两相电枢绕组与四个悬浮绕组间存在较强的磁耦合，悬浮力数学模型复杂；另外，四个悬浮绕组相当于传统8/6极开关磁阻电机的另外两相，且产生的转矩方向始终相反，转矩脉动大，限制了启动性能，该电机的启动能力与传统两相电机相似，存在启动死区；受其结构限制，该电机不能实现转矩和悬浮力的解耦控制，高速悬浮的精确控制较为困难。为此，改善启动性能、降低其耦合强度、实现解耦控制是该类电机的重点研究方向之一。

发明内容

本发明目的是提出一种结构简单、启动性能较好、磁耦合强度弱、悬浮控制简单且可实现转矩和悬浮力解耦控制的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：

一种混合磁轴承开关磁阻电机，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；