[发明专利]一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统及其控制方法

权利要求书

1.一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承Ⅱ；所述锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ分别布置于开关磁阻电机的两侧；

所述锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、偏置线圈Ⅰ、径向悬浮线圈Ⅰ和轴向悬浮线圈Ⅰ构成；

所述锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、偏置线圈Ⅱ、径向悬浮线圈Ⅱ和轴向悬浮线圈Ⅱ构成；

所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子和磁阻电机线圈构成；

所述锥形转子Ⅰ布置在锥形定子Ⅰ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内；所述锥形转子Ⅰ、磁阻电机转子和锥形转子Ⅱ套在转轴上；所述锥形定子Ⅰ、磁阻电机定子和锥形定子Ⅱ串联布置，且之间均存在间隙；

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数有12/8或6/4或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，开关磁阻电机的相数m为3，磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数组合为8/6时，开关磁阻电机的相数m为4；

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用12/8组合，即所述磁阻电机定子齿数为12、磁阻电机转子齿数为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磁阻电机线圈，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个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；

或所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用6/4组合，即所述磁阻电机定子齿数为6、磁阻电机转子齿数为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磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；

或所述磁阻电机定子和磁阻电机转子的齿数采用8/6组合，即所述磁阻电机定子齿数为8、磁阻电机转子齿数为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磁阻电机线圈，采用串联、或并列的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成4个电枢绕组；

所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ均为锥形凸极结构，二者的定子齿数为4，所述锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ均为锥形圆柱结构；锥形定子Ⅰ、锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅰ和锥形转子Ⅱ的锥形角相等；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向相同，锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相同；锥形定子Ⅰ和锥形转子Ⅰ的锥形角开口方向与锥形定子Ⅱ和锥形转子Ⅱ的锥形角开口方向相反；

其特征在于，所述锥形定子Ⅰ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈Ⅰ、1个轴向悬浮线圈Ⅰ和1个径向悬浮线圈Ⅰ，共4个偏置线圈Ⅰ、4个轴向悬浮线圈Ⅰ和4径向悬浮线圈Ⅰ；

所述锥形定子Ⅱ的每个定子齿上绕有1个偏置线圈Ⅱ、1个轴向悬浮线圈Ⅱ和1个径向悬浮线圈Ⅱ，共4个偏置线圈Ⅱ、4个轴向悬浮线圈Ⅱ和4径向悬浮线圈Ⅱ；

所述锥形定子Ⅰ的径向悬浮线圈Ⅰ连接方式为：在水平方向相隔180°的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向相隔180°的2个径向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅰ；

所述锥形定子Ⅱ的径向悬浮线圈Ⅱ连接方式为：在水平方向相隔180°的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向相隔180°的2个径向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅱ；

所述锥形定子Ⅰ的4个轴向悬浮线圈Ⅰ串联，构成1个轴向悬浮绕组Ⅰ；所述锥形定子Ⅱ的4个轴向悬浮线圈Ⅱ串联，构成1个轴向悬浮绕组Ⅱ；

所述锥形定子Ⅰ的4个偏置线圈Ⅰ串联，构成1个偏置线圈串Ⅰ，所述锥形定子Ⅱ的4个偏置线圈Ⅱ串联，构成1个偏置线圈串Ⅱ；所述1个偏置线圈串Ⅰ和1个偏置线圈串Ⅱ串联，构成1个偏置绕组。

2.根据权利要求1所述的一种锥形磁悬浮开关磁阻电机系统的控制方法，其特征在于，所述锥形磁悬浮开关磁阻电机系统包括一个开关磁阻电机和两个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机产生旋转转矩，两个锥形磁轴承产生4个径向悬浮力和1个轴向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；所述磁悬浮系统的绕组由m相电枢绕组，1个偏置绕组、4个径向悬浮绕组和2个轴向悬浮绕组构成，所述1个偏置绕组串联到m相电枢绕组的不对称半桥功率变换器的母线中，其中电枢绕组的励磁回路和续流回路各有1个直流电压源，并且励磁和续流阶段电枢绕组和偏置绕组的电流方向始终相同；独立控制m相电枢绕组电流，以调节转矩，并产生偏置磁通；独立控制6个悬浮绕组电流，实现五自由度悬浮调节；包括如下步骤：

步骤A，获取给定电枢绕组电流、开通角和关断角；具体步骤如下：

步骤A-1，采集磁阻电机转子实时转速，得到转子角速度ω；

步骤A-2，将磁阻电机转子角速度ω与设定的参考角速度ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤A-3，当ω≤ω₀时，ω₀为临界速度设定值；所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得电枢绕组电流参考值i_m^*；开通角θ_on和关断角θ_off固定不变；

步骤A-4，当ω＞ω₀时，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得开通角θ_on和关断角θ_off，电枢绕组电流不控制；

步骤B，调节转矩；具体步骤如下：

步骤B-1，当ω≤ω₀时，利用电流斩波控制方法，以电枢绕组的实际电流i_m跟踪电枢绕组电流参考值i_m^*，进而实时调节电枢绕组电流i_m，进而达到调节转矩的目的；

步骤B-2，当ω＞ω₀时，利用角度位置控制方法，调节开通角θ_on和关断角θ_off的取值，从而实时调节转矩；

步骤C，获取锥形磁轴承Ⅰ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤C-1，获取锥形转子Ⅰ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₁和β₁，其中，x轴为水平方向，y轴为竖直方向；

步骤C-2，将实时位移信号α₁和β₁分别与给定的参考位移信号α₁^*和β₁^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₁和Δβ₁，将所述实时位移信号差Δα₁和Δβ₁经过比例积分微分控制器，得到锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤D，获取锥形磁轴承Ⅱ的x轴和y轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤D-1，获取锥形转子Ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₂和β₂；

步骤D-2，将实时位移信号α₂和β₂分别与给定的参考位移信号α₂^*和β₂^*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差Δα₂和Δβ₂，将所述实时位移信号差Δα₂和Δβ₂经过比例积分微分控制器，得到锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向悬浮力和y轴方向悬浮力

步骤E，获取z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤E-1，获取转轴z轴方向的实时位移信号z_z，其中z轴垂直于x轴和y轴构成的平面；

步骤E-2，将实时位移信号z_z与给定的参考位移信号z_z^*相减，得到z轴方向的实时位移信号差Δz_z，将所述实时位移信号差Δz_z经过比例积分微分控制器，得到的z轴方向悬浮力

步骤F，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤F-1，采集实时的偏置绕组电流i_bias和偏置绕组最大电流值I_P，

方式一，通过电流传感器直接采集实时的偏置绕组电流i_bias，然后再获取其最大值即为I_P；

或方式二，通过电流传感器采集实时的m相电枢绕组电流，然后根据计算公式计算得到实时的偏置绕组电流i_bias，然后再采集其最大值即为I_P，其中i_k为第k相电枢绕组的电流；

步骤F-2，根据所述偏置绕组最大电流值I_P和所述悬浮力和以及计算公式：

解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组电流参考值和y轴方向径向悬浮绕组电流参考值以及两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值

其中，k_f1为径向悬浮力系数，k_f2为轴向悬浮力系数，其表达式分别为和μ₀为真空磁导率，l为锥形磁轴承的轴向长度，r为锥形转子的平均半径，α_s为锥形定子的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，γ为锥形角，N_b为偏置绕组的匝数，N_z为轴向悬浮绕组的匝数，N_s为径向悬浮绕组的匝数；

步骤F-3，计算轴向悬浮绕组Ⅰ的电流参考值和轴向悬浮绕组Ⅱ的电流参考值

根据所述i_bias、I_P、及轴向绕组电流计算公式和解算出轴向悬浮绕组Ⅰ的电流参考值以及轴向悬浮绕组Ⅱ的电流参考值

步骤F-4，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流i_s1跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流i_s2跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用轴向悬浮绕组Ⅰ的实际电流i_z1跟踪其电流参考值

用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方向径向悬浮绕组实际电流i_s3跟踪该方向悬浮绕组电流参考值用y轴方向径向悬浮绕组的实际电流i_s4跟踪该方向径向悬浮绕组电流参考值用轴向悬浮绕组Ⅱ的实际电流i_z2跟踪其电流参考值进而实现五自由度悬浮控制。