[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

摘要

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。

主权项

1.一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；所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，径向转子Ⅰ布置在径向定子Ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，径向转子Ⅱ布置在径向定子Ⅱ内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内；所述锥形转子Ⅰ、径向转子Ⅰ、磁阻电机转子、径向转子Ⅱ和锥形转子Ⅱ套在转轴上；所述锥形定子Ⅰ、径向定子Ⅰ、磁阻电机定子、径向定子Ⅱ和锥形定子Ⅱ串联布置，且上述定子之间均存在间隙；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，开关磁阻电机的相数m为3，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机的相数m为4；所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用12/8组合，即所述磁阻电机定子齿数为12、磁阻电机转子齿数为8、电机相数m为3时，每4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列、或串并结合的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用6/4组合，即所述磁阻电机定子齿数为6、磁阻电机转子齿数为4、电机相数m为3时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用8/6组合，即所述磁阻电机定子齿数为8、磁阻电机转子齿数为6、电机相数m为4时，每2个相隔180°的磁阻电机定子齿上的磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成4个电枢绕组；所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ均为锥形凸极结构，二者的定子齿数为4，所述锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ的锥形角相等；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向相同，锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相同；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向与锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相反；所述径向定子Ⅰ和径向定子Ⅱ均为凸极结构，二者的定子齿数为4，所述径向定子Ⅰ的4个定子齿和径向定子Ⅱ的4个定子齿对齐；所述径向转子Ⅰ和径向转子Ⅱ均为圆柱结构；其特征在于，所述锥形定子Ⅰ的每个定子齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅰ和1个轴向偏置线圈Ⅰ，共4个轴向悬浮线圈Ⅰ和4个轴向偏置线圈Ⅰ；所述锥形定子Ⅱ的每个定子齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅱ和1个轴向偏置线圈Ⅱ，共4个轴向悬浮线圈Ⅱ和4个轴向偏置线圈Ⅱ；所述径向定子Ⅰ的每个定子齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ和1个径向偏置线圈Ⅰ，共4个径向悬浮线圈Ⅰ和4个径向偏置线圈Ⅰ；所述径向定子Ⅱ的每个定子齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ和1个径向偏置线圈Ⅱ，共4个径向悬浮线圈Ⅱ和4个径向偏置线圈Ⅱ；所述径向定子Ⅰ的径向悬浮线圈Ⅰ连接方式为：在水平方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅰ；所述径向定子Ⅱ的径向悬浮线圈Ⅱ连接方式为：在水平方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向位置处相隔180°的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅱ；所述4个轴向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个轴向悬浮线圈串Ⅰ；所述4个轴向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个轴向悬浮线圈串Ⅱ；所述1个轴向悬浮线圈串Ⅰ和1个轴向悬浮线圈串Ⅱ串联，构成1个轴向悬浮绕组；所述4个轴向偏置线圈Ⅰ串联，构成1个轴向偏置线圈串Ⅰ，所述4个轴向偏置线圈Ⅱ串联，构成1个轴向偏置线圈串Ⅱ；所述4个径向偏置线圈Ⅰ串联，构成1个径向偏置线圈串Ⅰ，所述4个径向偏置线圈Ⅱ串联，构成1个径向偏置线圈串Ⅱ；所述1个轴向偏置线圈串Ⅰ、1个径向偏置线圈串Ⅰ、1个轴向偏置线圈串Ⅱ和1个径向偏置线圈串Ⅱ串联，构成1个偏置绕组。