CN101299553A - 一种无轴承开关磁阻电机全周期发电运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无轴承开关磁阻电机全周期发电运行控制方法，属无轴承开关磁阻电机的发电技术。在本方法中，每个定子齿极上的悬浮绕组均独立控制，而每相定子齿极上的主绕组串联组成全周期发电绕组。通过控制径向相对的两个悬浮绕组的电流不同使这两个悬浮绕组建立的气隙磁场不平衡，达到产生非对称径向磁拉力的目的。而悬浮绕组电流又作为发电的励磁电流，在全周期内给主绕组提供励磁能量，主绕组作为发电绕组输出电能经整流后提供给负载，实现了无轴承开关磁阻电机的全周期发电，有效提高悬浮绕组的利用率和提高无轴承开关磁阻发电机的功率密度，为无轴承开关磁阻电机在具有高功率密度要求的高速发电领域的应用奠定了基础。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种无轴承开关磁阻电机发电运行控制方法，属无轴承开关磁阻电机的发电技术。
二、背景技术
开关磁阻电机(switched reluctance motor，以下简称SRM)具有结构简单、维护方便、低成本、耐高温、高容错性和固有的高速适应性等特点，在航空航天、军事、民用等领域具备重要应用特色。集磁轴承和电机功能于一体的无轴承开关磁阻电机(bearingless switched reluctance motor，以下简称BSRM)在实现磁悬浮运行的同时，由于不需独立的径向磁轴承，体积和重量大为减小，可进一步提高功率密度。图1、图2分别为12/8极SRM和BSRM一相导通时的剖面示意图(其它两相绕组没有标出)。相比于SRM，BSRM仅在定子原有一套绕组(以下称为主绕组)的基础上增加另一套绕组(以下称为悬浮绕组)用以改变气隙磁场的均匀性，通过转子一对极两侧的磁场不平衡作用产生非对称径向磁拉力，从而达到调节转子径向位置的目的。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，在全电/多电飞机、舰船、坦克等领域具有更好的应用优越性。结合SRM的优异的四象限运行能力，无轴承技术的应用也为SRM在分布式发电***、不间断电源(UPS)和可再生能源发电的飞轮储能***、以及电动/混合动力汽车等领域的应用创造了条件。
传统的开关磁阻电机采用周期性分时发电模式，和永磁电机相比，功率密度是它的局限性。众多学者先后提出了若干方法来改善电机性能，包括在定子齿极上安装永磁体、在转子槽内嵌入永磁体、增加附加绕组以辅助励磁、增加附加绕组作为阻尼绕组。永磁式双凸极电机和电励磁式双凸极电机即是分别在开关磁阻电机定子上增加永磁体或附加励磁绕组形成的。在开关磁阻电机上所作的这些改变的最终目的是提高其功率密度，改善其运行性能。但是，它们均没有将提高功率密度和发挥开关磁阻电机的高速适应性结合起来，增加永磁体的做法甚至削弱了开关磁阻电机在苛刻运行环境下的应用优势，从而限制了其应用范围。
三、发明内容
1，发明目的
本发明研究一种集磁悬浮和发电功能于一体的具有双绕组结构和全周期发电功能的无轴承开关磁阻电机发电运行控制方法，以期从提高功率密度和高速适应性角度构造高性能发电机，实现其在航空航天、航空起动发电***、集成动力单元、飞轮储能电池、环控***等高速发电领域的应用。
2，技术方案
本发明的无轴承开关磁阻电机全周期发电运行控制方法是：
每个定子齿极上的悬浮绕组均独立控制，每相定子齿极上的主绕组串联组成全周期发电绕组，通过功率变换器控制悬浮绕组的电流，使悬浮绕组在控制电机悬浮的同时承担励磁作用，一方面，径向相对的两个悬浮绕组通以大小不同的电流使转子一对极两侧的磁场不平衡，从而产生非对称磁拉力，达到动态调节转子径向位置的目的；另一方面，将悬浮绕组电流作为发电的励磁电流，在电机转动过程中，相电感发生变化导致主绕组匝链的磁链发生变化，从而在主绕组中感生出感应电势，当主绕组形成回路就有感应电流产生。在悬浮绕组完成励磁后，当有续流回路，悬浮绕组中的励磁能量将部分返回电源，剩余部分转移至主绕组，使主绕组仍有电能输出；当悬浮绕组没有续流回路，悬浮绕组中的励磁能量将全部转移至主绕组，主绕组继续续流发电，从而实现整个相工作周期的全周期发电。
四、附图说明
图1是普通开关磁阻电机剖面示意图。
图2是无轴承开关磁阻电机剖面示意图。
图3是无轴承开关磁阻电机全周期发电结构示意图。
图中标号意义：1-定子、2-转子、3-磁力线、4-普通开关磁阻电机绕组、5-无轴承开关磁阻电机主绕组、6-无轴承开关磁阻电机悬浮绕组、7-不对称半桥功率变换器、8-整流设备。
五、具体实施方式
1.以12/8无轴承开关磁阻发电机为例。如图3所示，每个定子齿极上的悬浮绕组均独立控制，而每相四个定子齿极上的主绕组串联组成全周期发电绕组。悬浮绕组的功率变换器采用不对称半桥功率变换器结构，也可采用其他类型的功率变换器；主绕组处于全周期发电状态，只需将绕组输出端接至整流设备即可给直流负载供电。
2.如图3所示，以水平方向两悬浮绕组为例，右侧悬浮绕组通以较大电流，左侧悬浮绕组通以较小电流，导致在水平方向上右侧气隙的磁密大于左侧气隙的磁密，因而转子受到向右的偏心磁拉力而向右运动。当左侧悬浮绕组通以较大电流，左侧悬浮绕组通以较小电流时，转子将受到向左的力而向左运动。同理，可以控制转子在竖直方向上的运动，从而达到动态调节转子径向位置的目的。
3.悬浮绕组在控制电机悬浮的同时承担励磁作用，将悬浮绕组电流作为发电的励磁电流，在电机转动过程中，相电感发生变化导致主绕组匝链的磁链发生变化，从而在主绕组中感生出感应电势，当主绕组输出端接整流设备及直流负载构成回路就有感应电流产生。在悬浮绕组完成励磁后，当有续流回路，悬浮绕组中的励磁能量将部分返回电源，剩余部分转移至主绕组；当悬浮绕组没有续流回路，悬浮绕组中的励磁能量将全部转移至主绕组。如图3所示，悬浮绕组的功率变换器采用不对称半桥结构，在悬浮绕组完成励磁后，悬浮绕组中的励磁能量将经过续流二极管部分返回电源，剩余部分转移至主绕组。主绕组在整个相工作周期内均有电能输出，实现全周期发电。
4.为了方便控制悬浮力，各相绕组轮流提供使转子悬浮的径向力，所以在12/8结构的BSRM中，各相的悬浮区间宽度占相电感周期的1/3，即15°(机械角度，下同)。若大于15°，则两相励磁区域将会交叠，此时若由两相共同提供悬浮力则将涉及到两相悬浮力的优化分配问题，增加了控制难度。而对于发电来说，励磁宽度在一定范围内须尽量大以提高发电功率，但是仍将各相产生悬浮力的区间设定为[-7.5°，7.5°]。为了使悬浮区间外的电流不产生径向悬浮力，令区间外的四个定子齿极上的悬浮绕组电流相等，则不产生非对称磁拉力。
5.电机结构可采用12/8极，8/6极，等。
6.若转轴与机械轴承紧配合，即转子无需悬浮控制，则悬浮绕组仅作为主绕组发电的励磁绕组，可同样实现电机的全周期发电运行。
Claims (1)
1.一种无轴承开关磁阻电机全周期发电运行控制方法，其特征在于，每个定子齿极上的悬浮绕组均独立控制，每相定子齿极上的主绕组串联组成全周期发电绕组，通过功率变换器控制悬浮绕组的电流，使悬浮绕组在控制电机悬浮的同时承担励磁作用，一方面，径向相对的两个悬浮绕组通以大小不同的电流使转子一对极两侧的磁场不平衡，从而产生非对称磁拉力，达到动态调节转子径向位置的目的；另一方面，将悬浮绕组电流作为发电的励磁电流，在电机转动过程中，相电感发生变化导致主绕组匝链的磁链发生变化，从而在主绕组中感生出感应电势，当主绕组形成回路就有感应电流产生，在悬浮绕组完成励磁后，当有续流回路，悬浮绕组中的励磁能量将部分返回电源，剩余部分转移至主绕组；当悬浮绕组没有续流回路，悬浮绕组中的励磁能量将全部转移至主绕组，主绕组持续输出电能，从而实现整个相工作周期的全周期发电。
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