[发明专利]一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法

说明书

本发明公布了一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法，所述系统由1个开关磁阻电机、1个混合磁轴承和1个径向磁轴承构成；两磁轴承的偏置绕组与开关磁阻电机m相电枢绕组合用一套功率变换器，采用共同励磁方式，在开关磁阻电机内产生转矩的同时，还在两磁轴承内产生偏置磁通；m相电枢绕组采用传统开关磁阻驱动模式，偏置绕组电流仅与开关磁阻电机工况有关，不做任何控制；另外，结合实时采集的偏置绕组电流，合理控制五个悬浮绕组电流，便可实现五自由度悬浮运行。本发明悬浮力间解耦，悬浮力与转矩也解耦，控制变量少，悬浮控制简单，集成度高，可靠性高，系统中无永磁体，环境适应性好，在高速或超高速应用场合具有独特优势。

技术领域

本发明涉及一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法，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

五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统，通常由一个开关磁阻电机、一个三自由度混合磁轴承和一个两自由度径向磁悬浮轴承构成，有效解决了高速电机的轴承支持问题，进而为开关磁阻电机在航空航天、飞轮储能、高速离心机、高速鼓风机和主轴电机等高速或超高速的应用奠定了基础。

电磁轴承因采用电励磁方式，设计容量更大，悬浮功率更高；另外，电磁轴承与开关磁阻电机构成的磁悬浮电机系统，由于不含永磁体，对工作环境的适应性更强，应用场合更为广泛。然而，电磁轴承中采用电励磁方式，其控制变量较多，功率系统支路数也随之增加，功率系统故障率也随之升高，且功率密度较低；再者，传统磁悬浮开关磁阻电机系统中的开关磁阻电机与磁轴承两系统之间相互独立，集成度不高，功率系统庞大，成本也较高。

因此，研究电磁轴承与开关磁阻电机的系统集成及联合驱动方法，降低系统复杂度，减小控制难度，进一步提升磁悬浮系统的集成度、可靠性及冗余能力，是当前该领域的研究热点。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统及控制方法。所述五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统，转矩磁路和悬浮力磁路分离，悬浮力和转矩相互解耦，整个系统不含永磁体，对工作环境的适应性强，偏置绕组和电枢绕组合用一套功率变换器，并采用共同励磁的方式，电磁转换效率高，集成度和可靠性进一步加强；所述控制方法通过控制m相电枢绕组电流，以调节输出转矩，控制方式与传统开关磁阻电机相同，进而实现旋转运行；通过控制五个悬浮绕组电流，以调节五个悬浮力，进而实现五自由度悬浮运行；系统控制变量少，控制简单，功率变换器成本低。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种五自由度共励式磁悬浮开关磁阻电机系统，包括1个混合磁轴承、1个开关磁阻电机和1个径向磁轴承；

所述开关磁阻电机布置在混合磁轴承和径向磁轴承之间；

所述混合磁轴承，由径向定子Ⅰ、轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅰ、定子导磁轭、转子导磁轭、偏置线圈Ⅰ、径向悬浮线圈Ⅰ、轴向悬浮线圈组成；

所述径向磁轴承，由径向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅱ、偏置线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅱ组成；

所述开关磁阻电机，由磁阻电机定子、磁阻电机转子和电枢线圈构成；

所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数有12/8、6/4、8/6三种组合形式；其中磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为12/8和6/4时，开关磁阻电机为三相工作制，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机为四相工作制；

所述轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ串联布置在定子导磁轭内，径向定子Ⅰ布置在轴向定子Ⅰ和轴向定子Ⅱ之间，径向定子Ⅰ与定子导磁轭间存在空气隙，轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ与定子导磁轭紧密布置；