[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

摘要

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。

主权项

1.一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；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；所述磁轴承转子Ⅰ布置在径向定子Ⅰ内，且磁轴承转子Ⅰ套在转子导磁轭上；所述磁轴承转子Ⅱ布置在径向定子Ⅱ内；所述转子导磁轭、磁阻电机转子和磁轴承转子Ⅱ套在转轴上，且所述磁阻电机转子布置在转子导磁轭和磁轴承转子Ⅱ之间；所述径向定子Ⅰ为双凸极结构，包括4个定子内齿和4个定子外齿；4个定子内齿均匀布置，在空间上相差90°；4个定子外齿均匀布置，在空间上相差90°；其中，2个定子内齿和2个定子外齿都位于水平方向，剩余2个定子内齿和2个定子外齿都位于竖直方向；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、竖直方向构成的平面垂直；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Ⅰ；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直径，所述通孔的直径大于转轴的外径；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；所述定子导磁轭、磁轴承转子Ⅰ和转子导磁轭均为环形结构；每个所述定子内齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ，共形成4个悬浮线圈Ⅰ；每个所述定子外齿上绕有1个偏置线圈Ⅰ，共形成4个偏置线圈Ⅰ；每个所述环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈，共形成2个轴向悬浮线圈；在水平方向位置处，绕在2个定子内齿上的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向位置处，绕在2个定子内齿上的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；4个所述偏置线圈Ⅰ串联构成1个偏置线圈串Ⅰ；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Ⅱ由4个E型结构构成，4个E型结构均匀分布，空间上相差90°；4个所述E型结构分别位于水平正方向、竖直正方向、水平负方向和竖直负方向；每个E型结构的齿数为3，包括1个宽齿和2个窄齿，且所述宽齿处于2个窄齿的中间；所述E型结构的宽齿与其2个窄齿间的夹角相等，且宽齿的齿宽等于窄齿的二倍；所述磁轴承转子Ⅱ为圆柱结构；所述E型结构的每个宽齿上绕有1个偏置线圈Ⅱ，共形成4个偏置线圈Ⅱ；所述E型结构的每个窄齿上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅱ；4个所述偏置线圈Ⅱ串联构成1个偏置线圈串Ⅱ；在水平正方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个水平正方向悬浮线圈串Ⅱ；在水平负方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个水平负方向悬浮线圈串Ⅱ；在竖直正方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个竖直正方向悬浮线圈串Ⅱ；在竖直负方向位置处的E型结构中的2个径向悬浮线圈Ⅱ，串联在一起构成1个竖直负方向悬浮线圈串Ⅱ；1个所述水平正方向悬浮线圈串Ⅱ和1个水平负方向悬浮线圈串Ⅱ反向串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；1个所述竖直正方向悬浮线圈串Ⅱ和1个竖直负方向悬浮线圈串Ⅱ反向串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；1个所述偏置线圈串Ⅰ和1个所述偏置线圈串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。