CN103490572B - 一种三自由度磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三自由度磁悬浮开关磁阻电机，属于磁悬浮开关磁阻电机和磁悬浮轴承领域。电机定子由径向磁场电机定子与两个磁轴承定子组成，径向磁场电机定子与两个磁轴承定子均为凸极结构，径向磁场电机定子的每个定子齿上绕有一个电机绕组，磁轴承定子的每个定子齿上绕有一个磁轴承绕组；转子由凸极转子与两个圆柱转子轴向叠加组成，凸极转子位于两个圆柱转子之间，凸极转子用于产生转矩，圆柱转子用于产生径向和轴向悬浮力。本发明提供的一种三自由度磁悬浮开关磁阻电机，集无轴承开关磁阻电机与轴向磁悬浮轴承于一体，集成化高；轴向磁轴承定子齿上仅有一套绕组，且定子为凸极结构，可选的结构形式多；利用最小电感区实行悬浮控制，悬浮电流对转矩电流的影响小，相间耦合作用小。

Description

一种三自由度磁悬浮开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种三自由度磁悬浮开关磁阻电机，属于磁悬浮开关磁阻电机和磁悬浮轴承领域。

背景技术

无轴承开关磁阻电机是20世纪末发展起来的一种新型磁悬浮电机。以定子上绕组的个数多少分类，有单绕组无轴承开关磁阻电机和双绕组无轴承开关磁阻电机。二者的控制策略有所不同，但其悬浮力和转矩产生的机理是相同的，均为通过控制绕组电流大小不同，以形成一个不对称磁通，进而产生方向和大小可控的径向悬浮力，从而使电机具有旋转和自悬浮能力。相对于双绕组无轴承开关磁阻电机，单绕组无轴承开关磁阻电机定子仅有一套绕组，结构更为简单，且控制算法简单，已成为无轴承开关磁阻电机的一个研究热点和发展趋势。

转矩和悬浮力之间存在着强耦合，且很难在控制策略和数学模型中实现二者的完全解耦，是无轴承开关磁阻电机运行性能难以提高的主要因素之一。另外，因悬浮力控制所需，必须对绕组电流进行斩波控制，而高速运行时，反电动势的激增导致无法对绕组电流进行跟踪斩波控制，即会出现电流斩不住的现象，这大大影响了无轴承开关磁阻电机高速性能的发挥。

无轴承电机若要实现五自由度悬浮运行，需要轴向磁悬浮轴承与其配合使用。轴向磁轴承势必会增加悬浮电机***的轴向长度，进而降低临界转速和功率密度。因此，在实现转矩和悬浮力解耦控制基础上，实现无轴承电机和轴向磁轴承的集成化已成为磁悬浮电机领域的研究热点。

发明内容

本发明目的是提出一种集无轴承电机和轴向磁轴承于一体、悬浮力和转矩在结构上完全解耦、高速适应性强、高功率密度的三自由度磁悬浮开关磁阻电机。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种三自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括径向磁场电机定子，凸极转子，圆柱转子、径向磁场电机绕组、磁轴承定子，磁轴承绕组；电机定子由径向磁场电机定子与两个磁轴承定子组成，径向磁场电机定子与两个磁轴承定子均为凸极结构，径向磁场电机定子的每个定子齿上绕有一个电机绕组，磁轴承定子的每个定子齿上绕有一个磁轴承绕组；每个电机定子齿上的绕组按需要可串联或并联为一定相数的绕组串，两个轴向磁轴承所有定子上的绕组分别串联或并联或串并联为两个绕组串；转子由凸极转子与两个圆柱转子轴向叠加组成，凸极转子位于两个圆柱转子之间，凸极转子铁心用于产生转矩，圆柱转子用于产生径向和轴向悬浮力。

有益效果

本发明提供的一种三自由度磁悬浮开关磁阻电机，集无轴承开关磁阻电机与轴向磁悬浮轴承于一体，集成化高；

电机定子齿上只有一个绕组，相对于双绕组无轴承开关磁阻电机，结构简单，槽满率高，省铜省硅钢片，可降低电机制造成本；

轴向磁轴承定子齿上仅有一套绕组，且定子为凸极结构，可选的结构形式多；

结构上径向悬浮力和转矩、以及径向悬浮力和轴向悬浮力完全解耦，控制方法简单，悬浮性能好。

利用最小电感区实行悬浮控制，悬浮电流对转矩电流的影响小，相间耦合作用小。

电机绕组利用率高，功率密度高，高速适应性强。

附图说明

图1是本发明的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的三维结构剖视图；

图2是本发明的三自由度磁悬浮开关磁阻电机的绕组示意图

图3是本发明三自由度磁悬浮开关磁阻电机中的三相12/8极无轴承开关磁阻电机的绕组电感和电流与转子位置角的变化曲线图。

图中标号名称：1是径向磁场电机定子，2是凸极转子，3是圆柱转子，4是径向磁场电机绕组，5是磁轴承定子，6是磁轴承绕组，7是绕组电感，8是悬浮阶段绕组电流，9转矩阶段绕组电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

如图1所示：本发明三相12/8极3自由度磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图，包括径向磁场电机定子1、凸极转子2、圆柱转子3、径向磁场电机绕组4、磁轴承定子5和磁轴承绕组6。径向磁场电机（即无轴承开关磁阻电机）定子和两个轴向磁轴承定子均为凸极结构，其中电机定子齿数为12，磁轴承定子齿数为偶数即可，电机定子和磁轴承定子齿上都绕有一个绕组，绕组形式为集中绕组；转子由凸极转子和两个圆柱转子通过轴向叠压而成，凸极转子位于两个圆柱转子之间，其中凸极转子用于产生转矩，不产生悬浮力，而圆柱转子用于产生径向和轴向悬浮力，不产生转矩；通过控制电机绕组的电流，分时分区域产生径向悬浮力和转矩，二者完全解耦；通过控制两个磁轴承绕组的电流，使两个轴向气隙磁通不对称，进而产生轴向悬浮力；利用最小电感平顶区作为产生径向悬浮力的区域，此区域内不产生转矩，且电机悬浮电流对电机转矩电流影响小，电机相间耦合作用小。

图2是一相绕组由分布在4个相对齿的线圈构成，彼此在空间上相隔90°，且这4个绕组分别独立控制，分时分区域产生悬浮力和转矩。B、C相的4个绕组与A相绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30°和-30°。

A相绕组的4个线圈分别绕在两对相对齿上，其中i_{a 1}+、i_{a 2}+、i_{a 3}+、i_{a 4}+分别为A 相4个绕组流入的电流，i_{a 1}-、i_{a 2}-、i_{a 3}-、i_{a 4}-分别A相为4个绕组流出的电流，α、β表示直角坐标系的两个方向。

图3为三相12/8极无轴承开关磁阻电机的绕组电感和电流与转子位置角的变化曲线图。定义定子齿与转子齿对齐位置为零度位置，即对齐位置。对三相12/8极无轴承开关磁阻电机而言，一个转子周期角为45°，因此电机每相绕组悬浮导通的区间为15°，这样才能保证电机的稳定悬浮运行。由于采用转矩和径向悬浮力分时分区域的控制策略，每一时刻需两相绕组同时导通，一相绕组用产生径向悬浮力，另一相绕组产生转矩。

以A相为例来说明无轴承电机悬浮原理，转子位于[15°，30°]时为悬浮区间，此时电机磁路的磁导最小，电感值最小且恒定，称该区域为最小电感平顶区，本发明中的无轴承开关磁阻电机就是利用该区域产生径向悬浮力；另外，由于该区间绕组电感恒定不变，故不产生转矩，以此实现转矩和悬浮力解耦。转子位于[15°，30°]时，由于圆柱转子部分的磁路磁阻相对于凸极转子非常小，又因为径向悬浮力与磁路磁阻成反比，因此凸极转子部分在该区间产生的径向悬浮力相对于圆柱转子部分可忽略不计，提供无轴承电机径向悬浮的悬浮力主要由圆柱转子产生。

具体径向悬浮力控制原理为：α方向径向悬浮力由绕组电流i_{a 1}和i_{a 3}控制，当i_{a 1}> i_{a 3}时，产上α正方向径向悬浮力，反之，产生α负方向径向悬浮力；同理，β方向悬浮力由绕组电流i_{a 2}和i_{a 4}控制，当i_{a 2}> i_{a 4}时，产上β正方向径向悬浮力，反之，产生β负方向径向悬浮力；α方向和β方向径向悬浮力可合成任意方向的径向悬浮力，因此通过4个绕组不对称励磁，可产生任意径向方向和大小的悬浮力，进而实现电机在[15°，30°]区间的自悬浮功能。同理，[0，15°]和[30°，45°]区间的径向悬浮力可分别由B相和C相绕组产生，进而实现整个转子周期内的悬浮运行。

转子位于[30°，45°]时为电动阶段，此时电感处于上升区域，产生正转矩。当A相悬浮励磁结束时，由于不对称励磁导致A相4个绕组的电流大小不等，因此需要相同的驱动信号控制A相绕组的主功率开关，先使其四套绕组电流相同，然后再利用开关磁阻电机的电流控制方法加以控制，具体的电流控制方法为斩波电流控制或PWM控制或单脉冲控制等。同理，在电感下降区导通时，即为发电运行，控制策略与电动阶段相似。

考虑到磁路的对称性，两个轴向磁轴承定子齿数为偶数即可。每个磁轴承定子上的线圈可串联、并联或串并联为一套绕组，并定义Z轴正方向磁轴承绕组电流为i_{z 1}，Z轴负方向磁轴承绕组电流为i_{z 2}。当i_{z 1}> i_{z 2}时，产上Z正方向轴向悬浮力，反之，产生Z负方向轴向悬浮力；因此通过对这2个轴向绕组不对称励磁，可产生任意大小和方向可控的轴向悬浮力，从而实现轴向的稳态悬浮。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (1)

1.一种三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：包括径向磁场电机定子（1），凸极转子（2），圆柱转子（3）、径向磁场电机绕组（4）、磁轴承定子（5），磁轴承绕组（6）；电机定子由径向磁场电机定子（1）与两个磁轴承定子（5）组成，径向磁场电机定子（1）与两个磁轴承定子（5）均为凸极结构，定子（1）的每个定子齿上绕有一个径向磁场电机绕组（4），磁轴承定子（5）的每个定子齿上绕有一个磁轴承绕组（6）；转子由凸极转子（2）与两个圆柱转子（3）轴向叠加组成，凸极转子（2）位于两个圆柱转子（3）之间，凸极转子（2）用于产生转矩，圆柱转子（3）用于产生径向和轴向悬浮力；所述的该磁阻电机为三相12/8极无轴承开关磁阻电机，磁阻电机三相绕组为A相、B相、C相，每相绕组悬浮导通的区间为15°，所述的每一相绕组由分布在4个相对齿的线圈构成，彼此在空间上相隔90°，其中A相包括4个绕组，且4个绕组分别独立控制，分时分区域产生悬浮力和转矩；所述的A相绕组的4个相对齿的线圈中i_{a 1}+、i_{a 2}+、i_{a 3}+、i_{a 4}+分别为A相的4个绕组流入的电流；i_{a 1}-、i_{a 2}-、i_{a 3}-、i_{a 4}-分别为A相的4个绕组流出的电流；α、β表示直角坐标系的两个方向；α方向径向悬浮力由绕组电流i_{a 1}和i_{a 3}控制，当i_{a 1}> i_{a 3}时，产上α正方向径向悬浮力，相反产生α负方向径向悬浮力；β方向悬浮力由绕组电流i_{a 2}和i_{a 4}控制，当i_{a 2}> i_{a 4}时，产上β正方向径向悬浮力，相反产生β负方向径向悬浮力；α方向和β方向径向悬浮力可合成任意方向的径向悬浮力，通过4个绕组不对称励；进而实现A相绕组在[15°，30°]区间的自悬浮功能；同理，[0，15°]和[30°，45°]区间的径向悬浮力可分别由B相和C相绕组产生，进而实现整个转子周期内的悬浮运行。