[发明专利]一种无轴承开关磁阻电机及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，特别涉及一种无轴承开关磁阻电机及其控制方法。

背景技术

无轴承开关磁阻电机分为双绕组结构和单绕组结构。双绕组无轴承开关磁阻电机是将产生悬浮力的悬浮绕组和开关磁阻电机的绕组一起叠绕在电机的定子上，通过控制两套绕组电流使电机同时具有旋转和自悬浮能力，从而实现电机的高速运行。而单绕组无轴承开关磁阻电机则是通过分别独立控制每套绕组电流使其同时具有旋转和自悬浮能力。

转矩和悬浮力间存在复杂耦合关系，且很难在控制策略和数学模型中实现二者的完全解耦，是制约无轴承开关磁阻电机悬浮和运行性能难以提高的重要因素。另外，悬浮力控制时需要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及斩波控制，即出现电流斩不住的现象，这严重影响了无轴承开关磁阻电机高速性能的发挥。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出一种无轴承开关磁阻电机及其控制方法。所述控制方法在优化设计12/8极双绕组无轴承开关磁阻电机定子、转子间极弧关系的基础上，提出该电机一种的控制方法，以期利用简单控制方法解决悬浮力和转矩解耦的问题，并且使绕组的铜耗最小。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子，所述定子包含12个定子齿，所述转子包含8个转子齿，每个定子齿上分别绕有一个转矩绕组和一个悬浮绕组；其中每4个相隔90°的定子齿上的转矩绕组正向串联为一相，12个定子齿的转矩绕组构成3相转矩绕组串；每相两个悬浮绕组分别由α轴方向、β轴方向上相对定子齿上的绕组反向串联而成，12个定子齿的悬浮绕组构成3相6个悬浮绕组串；所述转矩绕组和悬浮绕组具体绕组方式为：每一定子齿的转矩绕组和悬浮绕组先后缠绕于定子齿上或转矩绕组和悬浮绕组一起缠绕在定子齿上；所述转子极弧角比定子极弧角大15°，形成一个15°宽的最大电感平顶区。

一种无轴承开关磁阻电机的控制方法，所述最大电感平顶区作为悬浮绕组的励磁导通区域，每相悬浮绕组仅在最大电感平顶区励磁导通，悬浮励磁导通区间均为15°；转子齿未到达最大电感平顶区时，悬浮绕组不导通，单独控制转矩绕组电流控制转矩；转子齿到达最大电感平顶区时，悬浮绕组导通，α轴悬浮绕组电流和转矩绕组电流共同产生α方向上的径向悬浮力，β轴悬浮绕组电流和转矩绕组电流共同产生β方向上的径向悬浮力，通过检测转子径向位移经PID调节器输出转子悬浮所需的径向力，实现转子径向位移闭环控制；通过调节每相转矩绕组电流及其开通关断角实现转速闭环。

所述悬浮绕组未导通时，所述单独控制转矩绕组电流控制转矩，采用斩波电流控制或者PWM控制或者单脉冲控制；悬浮绕组导通后，采用斩波电流控制，且电流控制为恒值，实现转子径向位移闭环控制。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种无轴承开关磁阻电机及其控制方法，所述电机转子极弧角与定子极弧角之差为15°，控制转矩绕组和悬浮绕组电流来产生悬浮力，控制转矩绕组电流以产生转矩，并且调节每相转矩绕组电流及其开通关断角实现转速闭环；通过检测转子径向位移经PID调节器输出转子悬浮所需的径向力，实现转子径向位移闭环控制。本发明悬浮绕组仅在最大电感平顶区域励磁导通，不产生转矩，因此转矩和悬浮力在控制上可实现解耦，并且通过优化设计转矩绕组、悬浮绕组的电流幅值使绕组铜耗最小；另外，悬浮绕组和转矩绕组在最大电感平顶区内的反电势为零，有利于无轴承开关磁阻电机的高速悬浮运行，可充分发挥开关磁阻电机的高速适应性。

附图说明

图1是本发明无轴承开关磁阻电机的结构和A相绕组连接示意图。

图2是本发明无轴承开关磁阻电机的绕组电感和电流波形的变化曲线图。

图3是本发明无轴承开关磁阻电机的A相绕组的电感随转子位置角的变化曲线图。

图4是本发明无轴承开关磁阻电机的A相绕组的α方向悬浮力随转子位置角的变化曲线图。

图5是本发明无轴承开关磁阻电机的A相绕组的转矩随转子位置角的变化曲线图。

图6是本发明无轴承开关磁阻电机的系统控制框图。

图7是本发明无轴承开关磁阻电机的悬浮区间两套绕组电流的控制算法。

附图标记说明：图2中，1是A相绕组电感，2是A相转矩绕组电流i_ma，3是A相α方向悬浮绕组电流i_sa1，4是A相β方向悬浮绕组电流i_sa1。

具体实施方式