一种轴向并列式混合结构无轴承开关磁阻电机及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种轴向并列式混合结构无轴承开关磁阻电机及控制方法，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】
[0002] 无轴承开关磁阻电机是20世纪90年代发展起来的一种新型磁悬浮电机。无轴承 开关磁阻电机因集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可有效解决高速运行时轴承摩擦带来的 损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、 飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。
[0003] 研究发现，无轴承开关磁阻电机的旋转和悬浮功能能否解耦，以及高速运行时悬 浮电流的跟踪及斩波控制精度如何，对无轴承开关磁阻电机的高速性能能否充分发挥起着 至关重要的作用。因此，为解决上述两方面问题，南京航空航天大学和南京邮电大学的学者 提出了一些新型电机结构及其控制方法。提出的12/8极复合转子单绕组无轴承开关磁阻 电机，通过分时错位分别产生悬浮力和转矩，可实现悬浮和旋转功能的解耦控制，但因需要 对每个绕组独立控制，功率变化器成本较高。又提出了一种具有轴向磁通的12/8极复合结 构双绕组无轴承开关磁阻电机和一种轴向并列式12/8极复合结构双绕组无轴承开关磁阻 电机，上述两电机的每相转矩绕组对称励磁产生转矩的同时，还为该相悬浮绕组提供偏置 磁通，转矩和悬浮力分别由凸极转子和圆柱转子独立产生，因此也实现了悬浮和旋转的解 耦；但是悬浮系统也三相工作制，功率电路成本也较高。另外，上述电机，因悬浮控制所需， 必须在悬浮区间对转矩绕组电流斩波控制，导致电机无法充分励磁，转矩输出能力受限，不 利于该电机在高速场合的应用。
[0004] 另外，无轴承开关磁阻电机因悬浮控制要求，需要对悬浮电流进行斩波控制。对单 绕组无轴承开关磁阻电机而言，各个绕组需要独立控制，功率管数量多，变化器成本高；另 外，由于该类电机悬浮控制的同时，还需输出转矩，因悬浮励磁宽度和幅度所限，导致电机 无法充分励磁，从而影响转矩的输出。对双绕组无轴承开关磁阻电机而言，一套为转矩绕 组，用于提供悬浮偏置磁通和产生转矩；另一套为悬浮绕组，用于产生悬浮力。常采用轮流 导通控制方法，悬浮绕组相数与转矩绕组相数相同，导致悬浮功率电路复杂，且成本较高。 另外，由于在悬浮励磁阶段，转矩绕组电流需要进行斩波控制，为悬浮绕组提供所需的偏置 磁通，同样无法充分励磁，导致输出转矩受限。
【发明内容】
[0005] 本发明为了克服现有技术的不足，提出一种轴向并列式混合结构无轴承开关磁阻 电机及控制方法。所述电机是一种悬浮力和转矩结构上解耦、转矩磁路和悬浮力磁路分离、 高速适应性强、径向承载力大、功率变化器成本较低的新型磁悬浮开关磁阻电机；所述控制 方法可独立控制转矩绕组电流和悬浮绕组电流，旋转和悬浮系统间相互解耦，彼此影响弱； 悬浮控制类似磁悬浮轴承，采用恒导通控制策略，并且仅需控制两个方向悬浮绕组电流，即 可产生所需悬浮力，控制变量少，悬浮控制简单，悬浮系统功率变换器成本低。
[0006] 为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种轴向并列式混合结构无轴承开关磁阻电机，包括电机定子、电机转子和电机 绕组；所述电机定子由磁阻电机定子和磁轴承定子构成；所述电机转子由凸极转子和圆柱 转子构成；所述电机绕组由转矩绕组和悬浮绕组构成；所述圆柱转子布置在磁轴承定子 内，凸极转子布置在磁阻电机定子内；所述磁轴承定子和磁阻电机定子轴向串联布置，所述 圆柱转子和凸极转子套在转轴上；所述磁阻电机定子和凸极转子均为凸极结构，所述圆柱 转子为圆柱结构；所述磁阻电机定子和凸极转子的齿数有12/8、6/4、8/6三种组合形式；其 中磁阻电机定子和凸极转子的齿数组合为12/8和6/4时，磁阻电机为三相工作制，磁阻电 机定子和凸极转子的齿数组合为8/6时，磁阻电机为四相工作制；
[0008] 所述磁轴承定子由4个E型结构构成，4个E型结构在圆周上均匀分布，空间上相 差90° ;每个E型结构的齿数为3,且其中间齿齿宽为其余两齿的二倍；每个E型结构中的 两个窄齿上均有1个绕组，每个E型结构两个窄齿上的绕组串联形成1个窄齿绕组，4个E 型结构形成4个窄齿绕组；所述4个窄齿绕组中相隔180°的两个绕组反向串联，形成一个 悬浮绕组；另外两个相隔180°的窄齿绕组反向串联，形成另一个悬浮绕组；所述两个悬浮 绕组空间上相隔90° ;
[0009] 所述转矩绕组个数与磁阻电机的相数m相同，每个转矩绕组由一个磁阻电机绕组 和一个宽齿绕组串联构成；
[0010] 每个磁阻电机定子齿上绕有1个绕组，所有磁阻电机定子齿上的绕组，分m组，分 别连接在一起，构成m个磁阻电机绕组；
[0011] 所述宽齿绕组共m个，每个E型结构宽齿上绕有m个绕组；在4个E型结构中，在 每个宽齿上选取1个绕组，串联成1个宽齿绕组，从而形成m个宽齿绕组。
[0012] 所述磁阻电机定子和凸极转子的齿数采用12/8组合，即所述磁阻电机定子齿数 为12、凸极转子齿数为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绕组， 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个磁阻电机绕组，共形成3 个磁阻电机绕组；所述3个磁阻电机绕组再分别与所述3个宽齿绕组进行串联，进而构成3 个转矩绕组，即为三相转矩绕组。
[0013] 所述磁阻电机定子和凸极转子的齿数采用6/4组合，即所述磁阻电机定子为6、凸 极转子齿数为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绕组，采用串 联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个磁阻电机绕组，共形成3个磁阻电机绕组；所 述3个磁阻电机绕组再与所述3个宽齿绕组分别串联成3个转矩绕组，即为三相转矩绕组。
[0014] 所述磁阻电机定子和凸极转子的齿数采用8/6组合，即所述磁阻电机定子为8、凸 极转子齿数为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绕组，采用串 联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个磁阻电机绕组，共形成4个磁阻电机绕组，所 述4个磁阻电机绕组再与所述4个宽齿绕组分别串联，进而构成4个转矩绕组，即为四相转 矩绕组。
[0015] -种轴向并列式混合结构无轴承开关磁阻电机的控制方法，所述开关磁阻电机 的转矩和悬浮力控制相互解耦，分别独立控制转矩绕组电流和悬浮绕组电流；包括如下步 骤：
[0016] 步骤A，获取x轴和y轴方向的给定悬浮力；其具体步骤如下：
[0017] 步骤A-1，获取转子X轴和y轴方向的实时位移信号a和，其中，X轴与两个E 型结构的中间齿极中心线重合，这两个E型结构在空间上相差180°，y轴与X轴在空间上 相差90°;
[0018] 步骤A-2,将实时位移信号a和P分别与给定的参考位移信号a$和P$相减，分 别得到X轴方向和y轴方向的实时位移信号差Aa和A，将所述实时位移信号差Aa 和A0经过比例积分微分控制器，得到X轴方向悬浮力Fe:和y轴方向悬浮力$ ;
[0019] 步骤B，获取给定转矩绕组电流、开通角和关断角；具体步骤如下：
[0020] 步骤B-I，采集转子实时转速，计算得到转子角速度《 ;
[0021] 步骤B-2,转子角速度《与设定的参考角速度相减，得到转速差A? ;
[0022] 步骤B-3,当《彡《。时，《。为临界速度设定值，其由电机实际工况确定；所述转 速差A?，通过比例积分控制器，获得转矩绕组电流参考值开通角0m和关断角0 # 固定不变，0。"和0Clff取值由电机结构形式决定；
[0023] 步骤B-4，当《 > ?。时，所述转速差A?，通过比例积分控制器，获得开通角0。"和 关断角9。"，转矩绕组电流不控制；
[0024] 步骤C，调节悬浮力，具体步骤如下：
[0025] 步骤C-1，采集m相实时的转矩绕组电流，根据所述悬浮力if和$ :，以及
a3为磁轴承窄定子齿的极弧角，S为磁轴承的单边气隙长度，N^N111分别为磁轴承窄齿绕 组、宽齿绕组的匝数，ik为第k相转矩绕组电流；
[0026] 步骤C-2,利用电流斩波控制方法，让X轴方向悬浮绕组的实际电流isl跟踪该方 向悬绕组电流参考值匕，让y轴方向悬浮绕组的实际电流is2跟踪该方向悬浮绕组电流参考 值G，从而实时调节悬浮力；
[0027] 步骤D，调节转矩；具体步骤如下：
[0028] 步骤D-1，当《彡时，利用电流斩波控制方法，让转矩绕组的实际电流i"跟踪 转矩绕组电流参考值i/，进而实时调节转矩绕组电流U进而达到调节转矩的目的；
[0029] 步骤D-2,当《>?。时，利用角度位置控制方法，调节开通角0。"和关断角0。"的 取值，从而实时调节转矩。
[0030] 所述步骤C-I中，所述悬