[发明专利]一种电磁轴承开关磁阻电机系统及控制方法

摘要

本发明公布了一种电磁轴承开关磁阻电机系统及控制方法。所述电机系统由1个开关磁阻电机、1个三自由度磁轴承和1个径向磁轴承构成；两磁轴承的偏置绕组串联之后，经四个二极管接入到开关磁阻电机m相电枢绕组的不对称半桥功率变换器的直流母线中；m相电枢绕组采用传统开关磁阻驱动模式，由于四个二极管的整流作用，在偏置绕组内产生一个连续恒定的电流，为两磁轴承提供偏置磁通；再通过合理控制五个悬浮绕组电流，即可实现五自由度悬浮运行；五个悬浮力间相互解耦，悬浮力与转矩间也解耦。本发明集成度高，机电能量转换利用率高，控制变量少，悬浮控制简单，可靠性高，因无永磁体，对工作环境适应性强，特别适合高速或超高速应用场合。

主权项

1.一种电磁轴承开关磁阻电机系统，包括1个三自由度磁轴承、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三自由度磁轴承和径向磁轴承之间；所述三自由度磁轴承，由径向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅰ、轴向定子Ⅱ、磁轴承转子Ⅰ、环形导磁轭Ⅰ、非导磁构件、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Ⅲ、径向定子Ⅳ、磁轴承转子Ⅱ、环形导磁轭Ⅱ、偏置线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅲ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或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；其特征在于，所述三自由度磁轴承中，径向定子Ⅰ、非导磁构件均布置在径向定子Ⅱ内，其中非导磁构件布置在径向定子Ⅰ与径向定子Ⅱ之间，且非导磁构件与径向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ均紧密布置；所述轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅱ串联布置，且径向定子Ⅱ布置在轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ之间；轴向定子Ⅰ、径向定子Ⅱ、轴向定子Ⅱ均布置在环形导磁轭Ⅰ内；所述磁轴承转子Ⅰ布置在径向定子Ⅰ和径向定子Ⅱ内；所述轴向定子Ⅰ与径向定子Ⅱ间、径向定子Ⅱ与轴向定子Ⅱ间都存在间隙，且两个间隙的长度相等；所述径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ串联布置，且径向定子Ⅲ、径向定子Ⅳ布置在环形导磁轭Ⅱ内；所述磁轴承转子Ⅱ布置径向定子Ⅲ和径向定子Ⅳ内；径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ之间嵌有1个偏置线圈Ⅱ，所述偏置线圈Ⅱ为环形结构；所述磁阻电机转子串联布置磁轴承转子Ⅰ与磁轴承转子Ⅱ之间；磁阻电机转子、磁轴承转子Ⅰ、磁轴承转子Ⅱ套在转轴上；所述径向定子Ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅰ由8个C型结构构成，每个所述C型结构的齿数为2，进而所述径向定子Ⅰ的齿共有16个；所述非导磁构件由4个E型结构构成，每个所述E型结构的齿数为3，且每个所述E型结构的中间齿的高度小于剩余两齿；所述径向定子Ⅱ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中与水平方向重合的两个齿分别称为水平正方向齿和水平负方向齿，与竖直方向重合的两个齿称为竖直正方向齿和竖直负方向齿；径向定子Ⅱ的相邻齿与齿之间存在空气隙，进而形成4个定子槽；每个所述定子槽中均放置径向定子Ⅰ的2个C型结构和非导磁构件的1个E型结构，每个E型结构紧密布置在2个C型结构和径向定子Ⅱ之间，且所述E型结构中间齿的齿宽等于与之紧密布置的2个C型结构之间的间距；在水平正方向齿位置处，形成1个由水平正方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在水平负方向齿位置处，形成1个由水平负方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在竖直正方向齿位置处，形成1个由竖直正方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；在竖直负方向齿位置处，形成1个由竖直负方向齿、2个E型结构中的2个齿和2个C型结构中的2个齿组合而成的1个宽齿；从而共形成4个宽齿；4个所述宽齿组合时利用了每个C型结构中的1个齿，即共利用了8个齿，每个所述C型结构中剩余1个齿，形成1个窄齿，共形成8个窄齿；每个所述宽齿上绕有1个偏置线圈Ⅰ，共形成4个偏置线圈Ⅰ；4个所述偏置线圈Ⅰ串联，构成1个偏置线圈串Ⅰ；每个所述窄齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅰ；径向悬浮线圈Ⅰ的连接方式为：在水平正方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个水平正方向绕组串Ⅰ；在水平负方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向绕组串Ⅰ；所述1个水平正方向绕组串Ⅰ和1个水平负方向绕组串Ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；在竖直正方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个竖直正方向绕组串Ⅰ；在竖直负方向齿位置处，构成同一宽齿的2个C型结构中的剩余两个齿上的径向悬浮线圈Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向绕组串Ⅰ；所述1个竖直正方向绕组串Ⅰ和1个竖直负方向绕组串Ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ均为├型结构，所述├型结构的凸极方向为轴向方向，与水平、竖直方向垂直；所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ凸极朝向相反，均指向径向定子Ⅱ；所述├型结构内均有1个通孔，所述通孔的中心线与转轴的中心线重合；每个所述├型结构的凸极部分形成1个环形齿；所述环形齿的外径大于所述通孔的内径，所述通孔的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ，且布置在所述通孔内；每个所述环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈，共2个轴向悬浮线圈；2个所述轴向悬浮线圈串联，构成1个轴向悬浮绕组；所述径向定子Ⅲ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅲ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中2个齿位于水平方向，剩余2个齿位于竖直方向；所述径向定子Ⅳ为凸极结构，齿数为4；所述径向定子Ⅳ的4个齿圆周上均匀分布，相邻齿与齿间的夹角为90°，其中2个齿位于水平位置，剩余2个齿位于竖直位置；所述径向定子Ⅲ与径向定子Ⅳ的所有齿的长、宽、高均相等；所述径向定子Ⅲ的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ，共4个径向悬浮线圈Ⅱ；其中绕在处于水平位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个水平径向悬浮线圈串Ⅱ，绕在处于竖直位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个竖直径向悬浮线圈串Ⅱ；所述径向定子Ⅳ的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅲ，共4个径向悬浮线圈Ⅲ；其中绕处于水平位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅲ串联，构成1个水平径向悬浮线圈串Ⅲ，绕在处于竖直位置2个齿上的2个径向悬浮线圈Ⅲ串联，构成1个竖直径向悬浮线圈串Ⅲ；1个所述水平径向悬浮线圈串Ⅱ和1个水平径向悬浮线圈串Ⅲ串联，形成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；1个所述竖直径向悬浮线圈串Ⅱ和1个竖直径向悬浮线圈串Ⅲ串联，形成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；1个所述偏置线圈串Ⅰ和1个所述偏置线圈Ⅱ串联，构成1个偏置绕组；所述开关磁阻电机的每个定子齿上绕有1个电枢线圈，所有磁阻电机定子齿上的电枢线圈，分m组，分别连接在一起，构成m个电枢绕组。