一种双绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种双绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法，该电机包括12个齿极的定子以及4个齿极的转子，转子上无绕组，每个定子的齿极上均绕有主绕组和辅助绕组，同一相定子齿极之间隔着两个其他相的定子齿极，同一相定子齿极的主绕组依次串联，每个定子齿极上的辅助绕组和与之径向相对的定子齿极上的辅助绕组反向串联，主绕组的电流单向导通，辅助绕组的电流双向导通，每个转子的齿极比定子的齿极宽30°。本发明中每相电感都存在1/3周期的最大电感平顶区，从而实现电机悬浮力与转矩在产生机理上的解耦，简化控制算法，实现对瞬时悬浮力更稳定的控制。
【专利说明】
一种双绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法
技术领域
[0001]本发明属于无轴承开关磁阻电机技术领域，特别涉及了一种双绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、低成本、耐高温、高容错性和高速适应性等特点，在航空航天、军事、民用等领域得到了广泛地应用。集磁轴承和电机功能于一体的无轴承开关磁阻电机(以下简称BSRM)在实现悬浮运行的同时，体积和重量大为减小，提高了功率密度。由于集旋转和悬浮的双重功能于一身，BSRM的高速适应性得到进一步提高，在航空航天和军事领域具有更好的应用优势。相较于单绕组结构，采用两套绕组同时产生转矩和悬浮力，所需功率器件得以减少，且辅助绕组功率器件容量减小，降低了成本，减小了整套控制器的体积，提高了效率且对悬浮力的控制更加灵活。
[0003]对于传统的12/8极双(单)绕组BSRM而言，其悬浮力和转矩在产生机理上存在耦合。为了提高电机的运行性能，所需的控制算法相当复杂。另外，当电机转速上升到一定程度之后，由于变压器电势和运动电势的双重驱动，励磁电流将不会随主开关管的关断而下降，出现斩波失效的现象，从而影响悬浮力的实时控制效果，严重时将导致无轴承电机的悬浮失稳。
【发明内容】
[0004]为了解决上述【背景技术】提出的技术问题，本发明旨在提供一种双绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法，实现电机悬浮力和转矩在产生机理上的解耦，简化控制算法，并且减小运动电势对励磁电流控制的影响，实现对瞬时悬浮力更稳定的控制。
[0005]为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为:
一种双绕组无轴承开关磁阻电机，包括12个齿极的定子以及4个齿极的转子，转子上无绕组，每个定子的齿极上均绕有主绕组和辅助绕组，同一相定子齿极之间隔着两个其他相的定子齿极，同一相定子齿极的主绕组依次串联，每个定子齿极上的辅助绕组和与之径向相对的定子齿极上的辅助绕组反向串联，主绕组的电流单向导通，辅助绕组的电流双向导通，转子的齿极比定子的齿极宽一定角度α，且角度α多30°。
[0006]基于上述技术方案的优选方案，角度α=30°。
[0007]基于上述技术方案的优选方案，主绕组功率变换器的电路拓扑采用不对称半桥电路，辅助绕组功率变换器的电路拓扑采用三相半桥电路。
[0008]本发明该包括上述双绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法，当电机处于电动运行时，根据转子位置角，选择其中两相同时导通，其中一相处于电感上升区，该相主绕组励磁产生电机转矩，同时另一相处于电感平顶区，该相的主绕组提供偏置磁场，从而产生悬浮力，该相的辅助绕组通电构成不对称励磁；当电机处于发电运行时，根据旋转角度，选择其中一相导通，该相处于电感平顶区，该相的主绕组提供偏置磁场，从而产生悬浮力，该相的辅助绕组通电构成不对称励磁，并为随后的发电阶段提供励磁，直至该相进入电感下降区，关断该相主绕组和辅助绕组的开关管，该相进入续流发电阶段。
[0009]基于上述技术方案的优选方案，电机的电流控制方法采用电流斩波控制方法或者PffM控制方法或者单脉冲控制方法。
[0010]采用上述技术方案带来的有益效果:
(1)本发明通过构造电机的转子齿极比定子齿极宽30°，使得每相电感存在1/3周期的最大电感平顶区，从而实现电机悬浮力与转矩在产生机理上的解耦，简化了控制算法；
(2)本发明由于辅助绕组电流较小，开关管关断后，电流迅速下降至O，各主绕组电流一致，避免了在发电区间内各发电绕组电流的不平衡，从而使悬浮力的控制效果更加稳定。
【附图说明】
[0011 ]图1是本发明的结构示意图。
[0012]图2是本发明电机三相自感分布的仿真图。
【具体实施方式】
[0013]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0014]如图1所示本发明的结构示意图，一种双绕组无轴承开关磁阻电机(规定逆时针为旋转正方向)，包括12个齿极的定子以及4个齿极的转子，转子上无绕组，每个定子的齿极上均绕有主绕组和辅助绕组，同一相定子齿极之间隔着两个其他相的定子齿极，同一相定子齿极的主绕组依次串联，每个定子齿极上的辅助绕组和与之径向相对的定子齿极上的辅助绕组反向串联，每个转子的齿极比定子的齿极宽α，α多30°，使得每相电感存在1/3周期的最大电感平顶区，从而实现电机悬浮力与转矩在产生机理上的解親。在本实施例中，α的最优值为30°，α大于30°会增大电感平顶区而不影响转矩有效区域，但是不利于电流的下降，影响悬浮效果。
[0015]每相主绕组的电流单向导通，因此可选择不对称半桥电路作为主绕组功率变换器的电路拓扑。径向相对的两套辅助绕组反向串联，电流双向导通，因此可选择三相半桥电路作为辅助绕组功率变换器的电路拓扑。
[0016]本发明还提出了上述双绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法，定义定子齿极中轴线与转子齿槽中轴线对齐位置为转角零度位置。当电机处于电动运行时，旋转角1[0，30° ]内(即图2中的I区)，此时A相处于电感上升区，开通A相主绕组开关管，从而产生电机转矩，具体的电流控制方法可采用传统SRM的控制方法，包括电流斩波控制、PffM控制和单脉冲控制。同时C相处于电感平顶区，由C相的主绕组产生的偏置磁场提供悬浮力，C相的辅助绕组通电构成不对称励磁。在旋转角在[30°，60°]内(即图2中II区)，Α相处于电感平顶区，因此由C相的主绕组产生的偏置磁场提供悬浮力，C相的辅助绕组通电构成不对称励磁，而此时的转矩则由B相的主绕组励磁产生，从而进入B相的励磁周期。因此，在电动运行时绕组的励磁相序为AB-BC-CA。
[0017]当电机处于发电运行时，在在[30°，60°]内(图2中II区)，此时A相处于电感平顶区，由A相的主绕组提供偏置磁场，A相的辅助绕组通电构成不对称励磁，同时为随后的发电阶段提供励磁；当〃 =60°时，A相进入电感下降区，关断A相主绕组及辅助绕组的开关，A相进入续流发电阶段，同时B相进入电感平顶区，以产生使转子悬浮的径向力，同时为其随后的发电阶段提供励磁。因此，在发电运行时绕组的励磁相序为A-B-C。
[0018]由于在悬浮区间励磁电流的不对称性，将导致发电电流的不平衡分布，这将增加悬浮力控制的难度。而本发明中由于辅助绕组电流较小，开关管关断后，电流迅速下降至O，主绕组电流一致，避免了在发电区间内各发电绕组电流的不平衡，可以更稳定地悬浮。
[0019]基于12/4极双绕组BSRM的结构和原理，可以得出“构造电感平顶区”是电机悬浮力和转矩在产生机理上有效解耦的主要原因。因此通过设计一定的定、转子齿极重合宽度，均可实现无轴承开关磁阻电机悬浮力和转矩的解耦，如16/4极结构。
[0020]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【主权项】
1.一种双绕组无轴承开关磁阻电机，其特征在于:包括12个齿极的定子以及4个齿极的转子，转子上无绕组，每个定子的齿极上均绕有主绕组和辅助绕组，同一相定子齿极之间隔着两个其他相的定子齿极，同一相定子齿极的主绕组依次串联，每个定子齿极上的辅助绕组和与之径向相对的定子齿极上的辅助绕组反向串联，主绕组的电流单向导通，辅助绕组的电流双向导通，转子的齿极比定子的齿极宽一定角度α，且角度α>30°。2.根据权利要求1所述一种双绕组无轴承开关磁阻电机，其特征在于:所述角度α=30°。3.根据权利要求1所述一种双绕组无轴承开关磁阻电机，其特征在于:主绕组功率变换器的电路拓扑采用不对称半桥电路，辅助绕组功率变换器的电路拓扑采用三相半桥电路。4.如权利要求1所述双绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于:当电机处于电动运行时，根据转子位置角，选择其中两相同时导通，其中一相处于电感上升区，该相主绕组励磁产生电机转矩，同时另一相处于电感平顶区，该相的主绕组提供偏置磁场，从而产生悬浮力，该相的辅助绕组通电构成不对称励磁；当电机处于发电运行时，根据旋转角度，选择其中一相导通，该相处于电感平顶区，该相的主绕组提供偏置磁场，从而产生悬浮力，该相的辅助绕组通电构成不对称励磁，并为随后的发电阶段提供励磁，直至该相进入电感下降区，关断该相主绕组和辅助绕组的开关管，该相进入续流发电阶段。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于:电机的电流控制方法采用电流斩波控制方法或PWM控制方法或单脉冲控制方法。
【文档编号】H02K1/24GK105914929SQ201610256632
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】曹鑫, 周京星, 邓智泉
【申请人】南京航空航天大学