[发明专利]一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法，属于无轴承开关磁阻电机技术领域。

背景技术

开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、成本低和高速适应性等特点，在航空航天、军事、民用等领域得到了广泛地应用，集磁轴承和电机功能于一体的无轴承开关磁阻电机（以下简称BSRM）在实现悬浮运行的同时，体积和重量大为减小，提高了功率密度。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，在航空航天和军事领域具有更好的应用优势，在双绕组BSRM的基础上，将两套绕组等效为一套绕组并同时产生转矩和悬浮力，发展为单绕组BSRM技术，使电机结构得到简化，控制方式更加灵活，但是对于传统的12/8极单绕组BSRM，其悬浮力和转矩在产生机理上存在耦合。为了提高电机的运行性能，所需的控制算法相当复杂，另外，当电机转速上升到一定程度后，由于变压器电势和运动电势的双重驱动，励磁电流将不会随主开关管的关断而下降，出现斩波失效的现象，从而影响悬浮力的实时控制效果，严重时将导致无轴承电机的悬浮失稳。

发明内容

本发明针对背景技术的缺陷，提出了一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法，主要为了实现电机悬浮力和转矩在产生机理上的解耦，简化控制算法，减小运动电势对励磁电流控制的影响，实现对瞬时悬浮力更稳定的控制（类似于磁悬浮轴承技术），从而增加径向承载力，提高无轴承电机的运行转速，增强电机的高速适应性，以期在无轴承开关磁阻电机的电动和发电技术领域取得新的突破。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机及其控制方法，电机包括一个12齿极的定子和一个4齿极的转子，转子位于定子中间，其中定子每极独立各绕一套励磁绕组，转子上无绕组，电机的转子齿比定子齿宽30°，构造了1/3周期的电感最大平顶区，实现悬浮力和转矩在产生机理上的解耦；

控制方法：定子12套绕组分别独立控制，每套绕组电流单向导通。在电动运行时，导通同时处于电感上升区和电感平顶区的两相，其中在电感上升区导通的一相通过对称励磁（控制四套绕组电流相同）产生转矩，在电感平顶区导通的另一相通过不对称励磁产生悬浮力；在发电运行时，只导通处于电感平顶区的一相，单独控制该相四套绕组电流产生悬浮力并为发电阶段提供励磁，随后进入电感下降区续流发电，此时另一相进入电感平顶区并重复上述的控制方法；处于发电运行阶段时，在邻近悬浮力产生区间结束前将四套励磁电流斩波控制为相同幅值，避免在发电区间内各发电绕组电流的不平衡。

作为本发明的进一步推广方案，所述的通过电机转子齿比定子齿宽一定角度构造最大电感平顶区的特点同样适用其它类似结构如16/4极电机。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）相较于现有的电机，很好地解决了电机悬浮力和转矩的解耦，实用性更强；

2）可以简化控制算法，控制简单；

3）运行速度高，电机有很强的的高速适应性；

4）构思新颖，设计巧妙，适合推广。

附图说明

图1是12/4极无轴承开关磁阻电机的剖面示意图。图中1、4、7、10号绕组组成A相，2、5、8、11号绕组组成B相，3、6、9、12号绕组组成C相；

图2是12/4极无轴承开关磁阻电机三相自感分布的有限元仿真图。图中定义其定子齿极中轴线与转子齿槽中轴线对齐位置为转角零度位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

一种12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机，其结构如图1所示，由 12个齿极的定子和4个齿极的转子组成，其中定子每极独立各绕一套励磁绕组，转子上无绕组，12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机的转子齿比定子齿宽30°。

该12/4极单绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法说明如下：

1. 定子绕组的控制器和电流导通方式：12套绕组分别独立控制，每套绕组电流单向导通，选择不对称半桥电路作为主绕组功率变换器的电路拓扑。