[发明专利]一种锥形磁轴承开关磁阻电机及其控制方法

权利要求书

1.一种锥形磁轴承开关磁阻电机，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分别布置在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、轴向悬浮绕组Ⅰ和径向悬浮绕组Ⅰ构成；

所述锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、轴向悬浮绕组Ⅱ和径向悬浮绕组Ⅱ构成；

所述开关磁阻电机由磁阻电机定子、磁阻电机转子、电枢绕组构成；

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，且锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ布置于磁阻电机定子的两侧，磁轴承定子Ⅰ与磁阻电机定子间存在间隙，磁阻电机定子与磁轴承定子Ⅱ间存在间隙；

所述磁阻电机定子和磁阻电机转子均为凸极结构，磁阻电机定子的齿数12，磁阻电机转子的齿数为8，且所述开关磁阻电机为三相工作制；

其特征在于，所述锥形定子Ⅰ和锥形定子Ⅱ均为锥形凸极结构，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；

所述锥形定子Ⅰ由4个E型结构Ⅰ构成，4个E型结构Ⅰ均匀分布，每个E型结构Ⅰ之间相差90°；每个E型结构Ⅰ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅰ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且E型结构Ⅰ的定子齿与磁阻电机定子齿的齿宽相等；所述锥形转子Ⅰ为圆柱结构；

所述锥形定子Ⅱ由4个E型结构Ⅱ构成，4个E型结构Ⅱ均匀分布，每个E型结构Ⅱ之间相差90°；每个E型结构Ⅱ的齿数为3，齿与齿之间相差30°；E型结构Ⅱ的每个齿与所述磁阻电机定子齿处于对齐位置，且E型结构Ⅱ的定子齿与磁阻电机定子齿的齿宽相等；所述锥形转子Ⅱ为圆柱结构；

所述电枢绕组的缠绕方式为：每个电枢绕组横跨处于同一圆周位置上的1个锥形定子Ⅰ的定子齿、1个磁阻电机定子齿和1个锥形定子Ⅱ的定子齿，并缠绕在三者之上，共12个；

所述径向悬浮绕组Ⅰ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅰ的中间定子齿上绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ，共4个；

所述轴向悬浮绕组Ⅰ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅰ的两个边齿上各绕有1个轴向悬浮绕组Ⅰ，共8个；

所述径向悬浮绕组Ⅱ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅱ的中间定子齿上绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ，共4个；

所述轴向悬浮绕组Ⅱ的缠绕方式为：每个锥形定子Ⅱ的两个边齿上各绕有1个轴向悬浮绕组Ⅱ，共8个；

所述电枢绕组的连接方式为：处于水平方向的2个电枢绕组和处于竖直方向的2个电枢绕组串联，构成A相电枢绕组；

圆周位置上与A相电枢绕组相差30°的4个电枢绕组串联，构成B相电枢绕组；

圆周位置上与A相电枢绕组相差60°的4个电枢绕组串联，构成C相电枢绕组；

所述锥形定子Ⅰ的轴向悬浮绕组Ⅰ连接方式为：8个轴向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个轴向正方向悬浮绕组；

所述锥形定子Ⅱ的轴向悬浮绕组Ⅱ连接方式为：8个轴向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个轴向负方向悬浮绕组；

所述锥形定子Ⅰ的径向悬浮绕组Ⅰ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅰ的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅰ；在竖直方向E型结构Ⅰ的2个径向悬浮绕组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的径向悬浮绕组Ⅱ连接方式为：在水平方向E型结构Ⅱ的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个水平方向径向悬浮绕组Ⅱ；在竖直方向E型结构Ⅱ的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联，构成1个竖直方向径向悬浮绕组Ⅱ。

2.根据权利要求 1所述的一种锥形磁轴承开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，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；所述锥形磁轴承开关磁阻电机绕组由3相电枢绕组、4个径向悬浮绕组和2个轴向悬浮绕组构成，其中独立控制三相电枢绕组电流，以调节转矩，并产生悬浮所需的偏置磁通；联合控制5个悬浮绕组电流，实现五自由度悬浮调节的同时，并实现转矩与悬浮力间的解耦；包括如下步骤：

步骤A，获取开通角θ_on和关断角θ_off；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，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；

步骤B，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B-1，分别获取锥形转子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B-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分别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C，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C-1，分别获取锥形转子Ⅱ的x轴和y轴方向的实时位移信号α₂和β₂；

步骤C-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分别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D，获取锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的z轴方向给定悬浮力，其中，z轴为轴向方向，与x轴、y轴相差90°；其具体步骤如下：

步骤D-1，获取转轴的z轴方向的实时位移信号z_z；

步骤D-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，将所述实时位移信号差Δz经过比例积分微分控制器，得到锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的z轴方向悬浮力

步骤E，调节悬浮力，具体步骤如下：

步骤E-1，采集3相实时的电枢绕组电流，根据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_f为悬浮力系数，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为锥形磁轴承E型结构定子齿的极弧角，δ为锥形磁轴承的单边气隙长度，N_b、N_s、N_z分别电枢绕组、径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组的匝数，i₁、i₂和i₃分别为三相电枢绕组电流，α为锥形角；

步骤E-2，计算锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ的轴向绕组电流的参考值；已知两个轴向悬浮绕组电流之差的参考值根据轴向绕组电流计算公式和解算出锥形磁轴承Ⅰ的轴向正方向悬浮绕组电流的参考值以及锥形磁轴承Ⅱ的轴向负方向悬浮绕组电流的参考值

步骤E-3，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z轴正方向悬浮绕组的实际电流i_z1跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值

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z轴负方向悬浮绕组的实际电流i_z2跟踪该方向轴向悬浮绕组电流参考值

步骤F，调节转矩；通过调节开通角θ_on和关断角θ_off的取值，从而实时调节转矩。