[发明专利]一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机及控制方法

说明书

本发明公布了一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机及控制方法，所述电机由一个三相12/8极开关磁阻电机和两个锥形磁轴承构成；一个锥形磁轴承的偏置绕组与开关磁阻电机A相水平方向两个绕组串联在一起，另一个锥形磁轴承的偏置绕组与A相竖直方向两个绕组串联在一起，构成两个通道A相复合绕组，采用恒导通策略，为两磁轴承产生偏置磁通，并在磁阻电机内产生转矩；所述电机中开关磁阻电机的B和C相绕组结构仍与传统开关磁阻电机相同，轮流励磁导通产生转矩，实现旋转运行；仅控制A相两套绕组的电流，及四个径向悬浮绕组电流，即可控制五个悬浮力，以实现五自由度悬浮。本发明电机系统集成度高，磁利用率高，控制简单，实施便利。

技术领域

本发明涉及一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机及控制方法，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机及其控制技术领域。

背景技术

磁悬浮开关磁阻电机，通常由一个开关磁阻电机和两个磁悬浮轴承构成；不仅继承了磁悬浮轴承的无摩擦、无润滑等优点，还可充分发挥开关磁阻电机的高速和环境适应性等特点，在航空航天、飞轮储能、高速离心机、高速鼓风机、高速主轴电机等军事民用场合具有独特优势。

传统磁悬浮开关磁阻电机中的永磁偏置式磁轴承一般需要较大的止推盘，不仅加工装配难道大，而且还导致较大的涡流损耗及严重的温升问题；另外，传统电励磁还存在控制对象较多的缺点，不利于系统的简化和可靠性；再者，传统磁悬浮开关磁阻电机系统中的电机与磁轴承控制系统之间独立，集成度不高，功率系统庞大，成本高。

为此，磁轴承驱动系统与开关磁阻电机驱动系统间的有效集成，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机及控制方法。所述锥形磁悬浮开关磁阻电机是一种集成度较高、功率系统成本较低以及控制对象较少的新型磁悬浮电机，两个锥形磁轴承的偏置绕组，分别与开关磁阻电机A相水平方向两绕组以及竖直方向两绕组串联，进而构成两通道A相复合励磁绕组；每个通道绕组采用一个不对称半桥变换器，利用恒导通控制策略，在磁轴承内产生偏置磁通和轴向力，在开关磁阻电机内产生转矩；所述控制方法通过控制A相两通道复合励磁绕组电流和四个径向悬浮电流，进而同时实现五自由度悬浮和旋转运行，悬浮和旋转控制简单，控制变量较少，还使A相双通道输出的平均转矩与B、C两相相等，从而确保较好的输出转矩特性。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种五自由度锥形磁悬浮开关磁阻电机，包括锥形磁轴承Ⅰ、开关磁阻电机和锥形磁轴承Ⅱ；所述开关磁阻电机布置在锥形磁轴承Ⅰ和锥形磁轴承Ⅱ之间；

锥形磁轴承Ⅰ由锥形定子Ⅰ、锥形转子Ⅰ、偏置线圈Ⅰ和径向悬浮线圈Ⅰ构成；

锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、偏置线圈Ⅱ和径向悬浮线圈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，锥形转子Ⅱ布置在锥形定子Ⅱ内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；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和锥形定子Ⅱ均为锥形凸极结构，二者的齿数均为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；

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为12，磁阻电机转子的齿数为8；所述开关磁阻电机的相数为3；所述磁阻电机定子的每个定子齿上绕有1个磁阻电机线圈，共12个；

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