[发明专利]一种径向轴向混合磁轴承开关磁阻电机系统及控制方法

摘要

本发明公布了一种径向轴向混合磁轴承开关磁阻电机系统及控制方法。所述电机系统由1个开关磁阻电机和两个2.5自由度径向‑轴向混合磁轴承构成；每个混合磁轴承由1个径向磁轴承和1个轴向磁轴承集合而成，二者合用一套偏置绕组；两个混合磁轴承的偏置绕组与与开关磁阻电机m相电枢绕组共用一个功率变换器，采用共同励磁方式，在开关磁阻电机内产生转矩的同时，还在两个混合磁轴承内产生偏置磁通。m相电枢绕组采用传统驱动模式，偏置绕组电流仅与开关磁阻电机工况有关，不做任何控制；仅需控制五个悬浮绕组电流，便可实现五自由度悬浮运行。本发明集成度高，可靠性高，控制变量少，悬浮控制简单，实施便利，适合工作环境恶劣的高速应用场合。

主权项

1.一种径向轴向混合磁轴承开关磁阻电机系统，包括1个径向轴向混合磁轴承Ⅰ、1个开关磁阻电机和1个径向轴向混合磁轴承Ⅱ；所述开关磁阻电机串联布置在径向轴向混合磁轴承Ⅰ和径向轴向混合磁轴承Ⅱ之间；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，所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；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，所述径向轴向混合磁轴承Ⅰ由径向磁轴承Ⅰ、轴向磁轴承Ⅰ和偏置线圈Ⅰ构成；所述径向磁轴承Ⅰ由径向定子Ⅰ、径向力转子Ⅰ和径向悬浮线圈Ⅰ构成；所述轴向磁轴承Ⅰ由偏置定子Ⅰ、轴向定子Ⅰ、轴向力转子Ⅰ、环形导磁轭Ⅰ和轴向悬浮线圈Ⅰ构成；所述径向力转子Ⅰ布置径向定子Ⅰ内，轴向力转子Ⅰ布置在偏置定子Ⅰ内，轴向定子Ⅰ紧密布置在环形导磁轭Ⅰ内；所述径向定子Ⅰ和偏置定子Ⅰ串联紧密布置，所述偏置定子Ⅰ和环形导磁轭Ⅰ串联紧密布置；所述径向力转子Ⅰ和轴向力转子Ⅰ串联紧密布置；所述径向轴向混合磁轴承Ⅱ由径向磁轴承Ⅱ、轴向磁轴承Ⅱ和偏置线圈Ⅱ构成；所述径向磁轴承Ⅱ由径向定子Ⅱ、径向力转子Ⅱ和径向悬浮线圈Ⅱ构成；所述轴向磁轴承Ⅱ由偏置定子Ⅱ、轴向定子Ⅱ、轴向力转子Ⅱ、环形导磁轭Ⅱ和轴向悬浮线圈Ⅱ构成；所述径向力转子Ⅱ布置径向定子Ⅱ内，轴向力转子Ⅱ布置在偏置定子Ⅱ内，轴向定子Ⅱ紧密布置在环形导磁轭Ⅱ内；所述径向定子Ⅱ和偏置定子Ⅱ串联紧密布置，所述偏置定子Ⅱ和环形导磁轭Ⅱ串联紧密布置；所述径向力转子Ⅱ和轴向力转子Ⅱ串联紧密布置；所述轴向力转子Ⅰ、径向力转子Ⅰ、磁阻电机转子、径向力转子Ⅱ和轴向力转子Ⅱ套在转轴上；所述径向定子Ⅰ由4个E型结构Ⅰ构成，4个E型结构Ⅰ均匀分布，空间上相差90°，其中2个E型结构Ⅰ位于水平方向，剩余2个E型结构Ⅰ位于竖直方向；每个E型结构Ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅰ和2个窄齿Ⅰ，且所述宽齿Ⅰ处于2个窄齿Ⅰ的中间；所述E型结构Ⅰ的宽齿Ⅰ与其2个窄齿Ⅰ间的夹角相等，且宽齿Ⅰ的齿宽等于窄齿Ⅰ的二倍；所述径向力转子Ⅰ为圆柱结构；所述偏置定子Ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子Ⅰ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子Ⅰ的2个齿位于水平方向，偏置定子Ⅰ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向力转子Ⅰ为圆柱结构；所述E型结构Ⅰ中宽齿Ⅰ的齿宽与偏置定子Ⅰ的齿宽相等；处于同一空间位置的E型结构Ⅰ的1个宽齿Ⅰ与偏置定子Ⅰ的1个齿组合成1个复合齿Ⅰ，共形成4个复合齿Ⅰ；所述环形导磁轭Ⅰ为圆环结构；所述轴向定子Ⅰ由1个├型结构Ⅰ构成，所述├型结构Ⅰ的凸极方向为轴向方向，与水平、竖直方向垂直，且所述├型结构Ⅰ的凸极指向偏置定子Ⅰ；所述├型结构Ⅰ内均有1个通孔Ⅰ，所述通孔Ⅰ的中心线与转轴的中心线重合；每个所述├型结构Ⅰ的凸极部分形成1个环形齿Ⅰ；所述环形齿Ⅰ的外径大于所述通孔Ⅰ的直径，所述通孔Ⅰ的直径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子Ⅰ，且布置在所述通孔Ⅰ内；所述径向定子Ⅱ由4个E型结构Ⅱ构成，4个E型结构Ⅱ均匀分布，空间上相差90°，其中2个E型结构Ⅱ位于水平方向，剩余2个E型结构Ⅱ位于竖直方向；每个E型结构Ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅱ和2个窄齿Ⅱ，且所述宽齿Ⅱ处于2个窄齿Ⅱ的中间；所述E型结构Ⅱ的宽齿Ⅱ与其2个窄齿Ⅱ间的夹角相等，且宽齿Ⅱ的齿宽等于窄齿Ⅱ的二倍；所述径向力转子Ⅱ为圆柱结构；所述偏置定子Ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述偏置定子Ⅱ的4个齿均匀分布，空间上相差90°，其中偏置定子Ⅱ的2个齿位于水平方向，偏置定子Ⅱ的剩余2个齿位于竖直方向；所述轴向力转子Ⅱ为圆柱结构；所述E型结构Ⅱ中宽齿Ⅱ的齿宽与偏置定子Ⅱ的齿宽相等；处于同一空间位置的E型结构Ⅱ的1个宽齿Ⅱ与偏置定子Ⅱ的1个齿组合成1个复合齿Ⅱ，共形成4个复合齿Ⅱ；所述环形导磁轭Ⅱ为圆环结构；所述轴向定子Ⅱ由1个├型结构Ⅱ构成，所述├型结构Ⅱ的凸极方向为轴向方向，与水平、竖直方向垂直，且所述├型结构Ⅱ的凸极指向偏置定子Ⅱ；所述├型结构Ⅱ内均有1个通孔Ⅱ，所述通孔Ⅱ的中心线与转轴的中心线重合；每个所述├型结构Ⅱ的凸极部分形成1个环形齿Ⅱ；所述环形齿Ⅱ的外径大于所述通孔Ⅱ的直径，所述通孔Ⅱ的直径大于转轴的外径；所述转轴贯穿轴向定子Ⅱ，且布置在所述通孔Ⅱ内；每个所述复合齿Ⅰ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Ⅰ上绕有1个径向悬浮线圈Ⅰ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅰ；在水平方向位置处，2个所述E型结构Ⅰ中4个窄齿Ⅰ上的4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，2个所述E型结构Ⅰ中4个窄齿Ⅰ上的4个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；所述轴向定子Ⅰ的环形齿Ⅰ上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅰ，共1个；每个所述复合齿Ⅱ上绕有1个偏置线圈Ⅱ，共形成4个偏置线圈Ⅱ；4个所述偏置线圈Ⅱ串联，构成1个偏置线圈串Ⅱ；每个所述窄齿Ⅱ上绕有1个径向悬浮线圈Ⅱ，共形成8个径向悬浮线圈Ⅱ；在水平方向位置处，2个所述E型结构Ⅱ中4个窄齿Ⅱ上的4个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向位置处，2个所述E型结构Ⅱ中4个窄齿Ⅱ上的4个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；所述轴向定子Ⅱ的环形齿Ⅱ上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅱ，共1个；1个所述偏置线圈串Ⅰ和1个偏置线圈串Ⅱ串联，构成1个偏置绕组；1个所述轴向悬浮线圈Ⅰ和1个轴向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个轴向悬浮绕组；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。