[发明专利]一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机及共励磁驱动方法

权利要求书

1.一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括磁轴承Ⅰ，开关磁阻电机Ⅰ，开关磁阻电机Ⅱ和磁轴承Ⅱ，且所述磁轴承Ⅰ，开关磁阻电机Ⅰ，开关磁阻电机Ⅱ和磁轴承Ⅱ依次串联布置；所述磁轴承Ⅰ和磁轴承Ⅱ的结构和尺寸均相同，所述开关磁阻电机Ⅰ和开关磁阻电机Ⅱ的结构和尺寸均相同；其特征在于，

所述磁轴承Ⅰ包括磁轴承定子Ⅰ，磁轴承线圈Ⅰ和磁轴承转子Ⅰ；所述磁轴承定子Ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述磁轴承定子Ⅰ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；磁轴承转子Ⅰ为圆柱结构，且布置在磁轴承定子Ⅰ内；所述磁轴承定子Ⅰ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈Ⅰ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁轴承线圈Ⅰ为悬浮线圈α₁，绕在水平负方向齿上的磁轴承线圈Ⅰ为悬浮线圈α₂，绕在竖直正方向齿上的磁轴承线圈Ⅰ为悬浮线圈β₁，绕在竖直负方向齿上的磁轴承线圈Ⅰ为悬浮线圈β₂；

所述开关磁阻电机Ⅰ包括磁阻电机定子Ⅰ、磁阻电机线圈Ⅰ和磁阻电机转子Ⅰ；所述磁阻电机定子Ⅰ为凸极结构，齿数为4；所述磁阻电机定子Ⅰ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；所述磁阻电机转子Ⅰ为凸极结构，齿数为2，且布置在磁阻电机定子Ⅰ内；所述磁阻电机转子Ⅰ的2个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔180°；所述磁阻电机定子Ⅰ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈Ⅰ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁阻电机线圈Ⅰ为转矩线圈α₃，绕在水平负方向齿上的磁阻电机线圈Ⅰ为转矩线圈α₄，绕在竖直正方向齿上的磁阻电机线圈Ⅰ为转矩线圈β₃，绕在竖直负方向齿上的磁阻电机线圈Ⅰ为转矩线圈β₄；

所述开关磁阻电机Ⅱ包括磁阻电机定子Ⅱ、磁阻电机线圈Ⅱ和磁阻电机转子Ⅱ；所述磁阻电机定子Ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述磁阻电机定子Ⅱ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；所述磁阻电机转子Ⅱ为凸极结构，齿数为2，且布置在磁阻电机定子Ⅱ内；所述磁阻电机转子Ⅱ的2个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔180°；所述磁阻电机定子Ⅱ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈Ⅱ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁阻电机线圈Ⅱ为转矩线圈α₅，绕在水平负方向齿上的磁阻电机线圈Ⅱ为转矩线圈α₆，绕在竖直正方向齿上的磁阻电机线圈Ⅱ为转矩线圈β₅，绕在竖直负方向齿上的磁阻电机线圈Ⅱ为转矩线圈β₆；

所述磁轴承Ⅱ包括磁轴承定子Ⅱ，磁轴承线圈Ⅱ和磁轴承转子Ⅱ；所述磁轴承定子Ⅱ为凸极结构，齿数为4；所述磁轴承定子Ⅱ的4个齿在空间上均匀分布，齿与齿相隔90°，其中两个齿中心线与水平方向重合，剩余两个齿的中心线与竖直方向重合；磁轴承转子Ⅱ为圆柱结构，且布置在磁轴承定子Ⅱ内；所述磁轴承定子Ⅱ的每个齿上绕有1个磁轴承线圈Ⅱ，共4个；绕在水平正方向齿上的磁轴承线圈Ⅱ为悬浮线圈α₇，绕在水平负方向齿上的磁轴承线圈Ⅱ为悬浮线圈α₈，绕在竖直正方向齿上的磁轴承线圈Ⅱ为悬浮线圈β₇，绕在竖直负方向齿上的磁轴承线圈Ⅱ为悬浮线圈β₈；

所述磁轴承转子Ⅰ、磁阻电机转子Ⅰ、磁阻电机转子Ⅱ和磁轴承转子Ⅱ依次套在转轴上，且磁阻电机转子Ⅰ的齿中心线与磁阻电机转子Ⅱ的齿中心线在空间上相差45°；

所述悬浮线圈α₁和转矩线圈α₃串联构成绕组A₁，所述悬浮线圈α₂和转矩线圈α₄串联构成绕组A₂，所述绕组A₁和绕组A₂构成A相绕组；

所述悬浮线圈β₁和转矩线圈β₃串联构成绕组B₁，所述悬浮线圈β₂和转矩线圈β₄串联构成绕组B₂，所述绕组B₁和绕组B₂构成B相绕组；

所述转矩线圈α₅和转矩线圈α₇串联构成绕组C₁，所述转矩线圈α₆和转矩线圈α₈串联构成绕组C₂，所述绕组C₁和绕组C₂构成C相绕组；

所述转矩线圈β₅和转矩线圈β₇串联构成绕组D₁，所述转矩线圈β₆和转矩线圈β₈串联构成绕组D₂，所述绕组D₁和绕组D₂构成D相绕组；

进而，所述四自由度磁悬浮开关磁阻电机为四相工作制电机。

2.根据权利要求1所述的一种四自由度磁悬浮开关磁阻电机的共励磁驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，获取转子位置角θ，确定一个转子周期内的四个励磁区间；

定义A相定子齿中心线与转子齿中心线重合位置为零度转子位置角，即此时θ＝0；对所述开关磁阻电机Ⅰ和Ⅱ而言，转子一个周期角为π；四个励磁区间分别为：区间Ⅰ、区间Ⅱ、区间Ⅲ和区间Ⅳ，其中区间Ⅰ对应的转子位置范围为-π/4≤θ＜0，区间Ⅱ对应的转子位置范围为0≤θ＜π/4，区间Ⅲ对应的转子位置范围为π/4≤θ＜π/2，区间Ⅳ对应的转子位置范围为π/2≤θ＜3π/4；

步骤B，获取磁轴承Ⅰ和磁轴承Ⅱ在X轴和Y轴方向的悬浮力参考值；具体步骤如下：

步骤B-1，获取磁轴承转子Ⅰ的X轴和Y轴方向的实时位移信号x₁和y₁，获取磁轴承转子Ⅱ的X轴和Y轴方向的实时位移信号x₂和y₂；其中，X轴与水平方向重合，Y轴与竖直方向重合，X轴与Y轴在空间上相差90°；

步骤B-2，将实时位移信号x₁和y₁分别与给定的参考位移信号x₁^*和y₁^*相减，分别得到磁轴承转子Ⅰ的X轴方向和Y轴方向的实时位移信号差△x₁和△y₁，将所述实时位移信号差△x₁和△y₁经过比例积分微分控制器，得到磁轴承Ⅰ的X轴悬浮力参考值F_x1^*和Y轴悬浮力参考值F_y1^*；

步骤B-3，将实时位移信号x₂和y₂分别与给定的参考位移信号x₂^*和y₂^*相减，分别得到磁轴承转子Ⅱ的X轴方向和Y轴方向的实时位移信号差△x₂和△y₂，将所述实时位移信号差△x₂和△y₂经过比例积分微分控制器，得到磁轴承Ⅱ的X轴悬浮力参考值F_x2^*和Y轴悬浮力参考值F_y2^*；

步骤C，获取开关磁阻电机Ⅰ和开关磁阻电机Ⅱ的总输出转矩参考值；具体步骤如下：

步骤C-1，采集转子实时转速，计算得到转子角速度ω；

步骤C-2，转子角速度ω与设定的转子角速度参考值ω^*相减，得到转速差Δω；

步骤C-3，所述转速差Δω，通过比例积分控制器，获得总输出转矩参考值T_sum^*；

步骤D，四相转矩分配，确定四个励磁区间内总输出转矩参考值T_sum^*与各相电流的关系式；具体步骤如下：

步骤D-1，区间Ⅰ内，其中，

式中T_a^*、T_d^*分别为A、D相单独产生转矩的参考值，J_t(θ)为转矩系数，是电机自身尺寸参数和转子位置角的函数，N_t为磁阻电机线圈Ⅰ、Ⅱ的匝数，h_t为开关磁阻电机Ⅰ、Ⅱ的轴向长度，μ₀为真空磁导率，r为磁轴承转子Ⅰ、Ⅱ和磁阻电机转子Ⅰ、Ⅱ的半径，l₀为磁轴承Ⅰ、Ⅱ和开关磁阻电机Ⅰ、Ⅱ的气隙长度，i_a1^*、i_a2^*分别为A相中绕组A₁、绕组A₂中电流的参考值，i_d1^*、i_d2^*分别为D相中绕组D₁、绕组D₂中电流的参考值；c为常数，其取值为1.49；

步骤D-2，区间Ⅱ内，其中，式中，T_c^*为C相单独产生转矩的参考值，i_c1^*、i_c2^*分别为C相中绕组C₁、绕组C₂中电流的参考值；

步骤D-3，区间Ⅲ内，其中，式中，T_b^*为B相单独产生转矩的参考值，i_b1^*、i_b2^*分别为B相中绕组B₁、绕组B₂中电流的参考值；

步骤D-4，区间Ⅳ内，其中，

步骤E，计算区间Ⅰ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤E-1，当且时，C和D相电流的参考值分别为：式中，K_f为悬浮力系数，N_f为磁轴承线圈Ⅰ、Ⅱ的匝数，μ₀为真空磁导率，h_f为磁轴承转子Ⅰ、Ⅱ的轴向长度，α_s为磁轴承Ⅰ、Ⅱ定子的极弧角；

步骤E-2，当且时，C和D相电流的参考值分别为：

步骤E-3，当且时，C和D相电流的参考值分别为：

步骤E-4，当且时，C和D相电流的参考值分别为：

步骤E-5，当且时，引入约束条件A和B相电流的参考值分别为：

式中，U₁、V₁、W₁的表达式分别为：

步骤E-6，当且时，引入约束条件A和B相电流的参考值分别为：

步骤E-7，当且时，引入约束条件A和B相电流的参考值分别为：

步骤E-8，当且时，引入约束条件A和B相电流的参考值分别为：

步骤F，计算区间Ⅱ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤F-1，当且时，A和B相电流的参考值分别为：

步骤F-2，当且时，A和B相电流的参考值分别为：

步骤F-3，当且时，A和B相电流的参考值分别为：

步骤F-4，当且时，A和B相电流的参考值分别为：

步骤F-5，当且时，引入约束条件C和D相电流的参考值分别为：

式中，U₂、V₂、W₂的表达式分别为：

步骤F-6，当且时，引入约束条件C和D相电流的参考值分别为：

步骤F-7，当且时，引入约束条件C和D相电流的参考值分别为：

步骤F-8，当且时，引入约束条件C和D相电流的参考值分别为：

步骤G，计算区间Ⅲ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤G-1，当且时，C和D相电流的参考值分别为：

步骤G-2，当且时，C和D相电流的参考值分别为：

步骤G-3，当且时，C和D相电流的参考值分别为：

步骤G-4，当且时，C和D相电流的参考值分别为：

步骤G-5，当且时，引入约束条件A和B相电流的参考值分别为：

式中，U₃、V₃、W₃的表达式分别为：

步骤G-6，当且时，引入约束条件A和B相电流的参考值分别为：

步骤G-7，当且时，引入约束条件A和B相电流的参考值分别为：

步骤G-8，当且时，引入约束条件A和B相电流的参考值分别为：

步骤H，计算区间Ⅳ内四相8个绕组电流的参考值；具体步骤如下：

步骤H-1，当且时，A和B相电流的参考值分别为：

步骤H-2，当且时，A和B相电流的参考值分别为：

步骤H-3，当且时，A和B相电流的参考值分别为：

步骤H-4，当且时，A和B相电流的参考值分别为：

步骤H-5，当且时，引入约束条件C和D相电流的参考值分别为：

式中，U₄、V₄、W₄的表达式分别为：

步骤H-6，当且时，引入约束条件C和D相电流的参考值分别为：

步骤H-7，当且时，引入约束条件C和D相电流的参考值分别为：

步骤H-8，当且时，引入约束条件C和D相电流的参考值分别为：

步骤I，实时调节四个悬浮力和输出转矩；在四个励磁区间内，利用电流斩波控制方法，让绕组A₁的实际电流i_a1跟踪其参考值i_a1^*，让绕组A₂的实际电流i_a2跟踪其参考值i_a2^*，让绕组B₁的实际电流i_b1跟踪其参考值i_b1^*，让绕组B₂的实际电流i_b2跟踪其参考值i_b2^*，让绕组C₁的实际电流i_c1跟踪其参考值i_c1^*，让绕组C₂的实际电流i_c2跟踪其参考值i_c2^*，让绕组D₁的实际电流i_d1跟踪其参考值i_d1^*，让绕组D₂的实际电流i_d2跟踪其参考值i_d2^*；通过对四相8个绕组中的电流实时控制，进而达到动态调节四个悬浮力和输出转矩的目的。