一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机及控制方法与流程

技术特征：

1.一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机，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、偏置绕组Ⅰ和径向悬浮绕组Ⅰ构成；

锥形磁轴承Ⅱ由锥形定子Ⅱ、锥形转子Ⅱ、偏置绕组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、磁阻电机转子和磁阻电机绕组构成；

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，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；

其特征在于，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；所述开关磁阻电机的每相绕组由4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的绕组组成，每相4个绕组分别连接在一起，构成该相2个通道绕组，三相绕组共可构成6个通道绕组；其连接方式为：每相4个绕组中，相隔180°的两个绕组串联在一起，构成该相通道Ⅰ绕组，剩余两个相隔180°的绕组串联在一起，构成该相通道Ⅱ绕组；

所述锥形定子Ⅰ由4个锥形E型结构Ⅰ构成，4个锥形E型结构Ⅰ均匀分布，每个锥形E型结构Ⅰ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅰ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅰ和2个窄齿Ⅰ，且宽齿Ⅰ位于两个窄齿Ⅰ之间；所述宽齿Ⅰ的齿宽是窄齿Ⅰ的二倍；

所述每个宽齿Ⅰ上均绕有3个宽齿绕组Ⅰ，在所述每个宽齿Ⅰ上选取1个宽齿绕组Ⅰ，串联成1个偏置绕组Ⅰ，从而形成3个偏置绕组Ⅰ；

所述每个窄齿Ⅰ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅰ，即共8个径向悬浮绕组Ⅰ；

在水平正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在水平负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅰ；

在竖直正方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅰ位置处的两个窄齿Ⅰ上的2个径向悬浮绕组Ⅰ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ；所述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅰ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅰ串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅰ；

所述锥形定子Ⅱ由4个锥形E型结构Ⅱ构成，4个锥形E型结构Ⅱ均匀分布，每个锥形E型结构Ⅱ之间相差90°；每个锥形E型结构Ⅱ的齿数为3，包括1个宽齿Ⅱ和2个窄齿Ⅱ，且宽齿Ⅱ位于两个窄齿Ⅱ之间；所述宽齿Ⅱ的齿宽是窄齿Ⅱ的二倍；

所述每个宽齿Ⅱ上均绕有3个宽齿绕组Ⅱ，在所述每个宽齿Ⅱ上选取1个宽齿绕组Ⅱ，串联成1个偏置绕组Ⅱ，从而形成3个偏置绕组Ⅱ；

所述每个窄齿Ⅱ上均绕有1个径向悬浮绕组Ⅱ，即共8个径向悬浮绕组Ⅱ；

在水平正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在水平负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所述1个水平正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个水平负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成1个水平径向悬浮绕组Ⅱ；

在竖直正方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ；在竖直负方向锥形E型结构Ⅱ位置处的两个窄齿Ⅱ上的2个径向悬浮绕组Ⅱ串联在一起，构成1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ；所述1个竖直正方向径向悬浮绕组串Ⅱ和1个竖直负方向径向悬浮绕组串Ⅱ串联在一起，构成1个竖直径向悬浮绕组Ⅱ；

所述开关磁阻电机的1个通道Ⅰ绕组和1个偏置绕组Ⅰ串联，构成1个通道Ⅰ转矩绕组，共3个，即三相通道Ⅰ转矩绕组；

所述开关磁阻电机的1个通道Ⅱ绕组和1个偏置绕组Ⅱ串联，构成1个通道Ⅱ转矩绕组，共3个，即三相通道Ⅱ转矩绕组。

2.根据权利要求1所述的一种锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，所述锥形磁悬浮双通道开关磁阻电机包括1个开关磁阻磁阻电机和2个锥形磁轴承，其中开关磁阻电机每个通道绕组独立控制，产生旋转转矩，并分别为两个锥形磁轴承提供偏置磁通，同时与2个锥形磁轴承协调控制，共同产生五个方向悬浮力，以实现转子五个方向的悬浮运行；包括如下步骤：

步骤A，获取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ转矩绕组平均电流的参考值、开通角和关断角；具体步骤如下：

步骤A-1，采集转子实时转速，得到转子角速度ω；

步骤A-2，将转子角速度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，获得每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的转矩绕组平均电流的参考值i_av^*；开通角θ_on和关断角θ_off保持不变，θ_on和θ_off的初值都由电机结构形式决定；

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，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，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z轴方向给定悬浮力；其具体步骤如下：

步骤D-1，获取转子z轴方向的实时位移信号z，其中z轴与x轴和y轴方向垂直；

步骤D-2，将实时位移信号z与给定的参考位移信号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，得到的z轴方向悬浮力

步骤E，获取每相通道Ⅰ和通道Ⅱ的转矩绕组电流的参考值，具体步骤如下：

步骤E-1，根据所述悬浮力和转矩绕组电流参考值i_av^*，以及计算公式解算通道Ⅰ和通道Ⅱ转矩绕组电流差的参考值Δi^*；其中，k_f1、k_f2为悬浮力系数，μ₀为真空磁导率，l为磁轴承部分的轴向长度，r为磁轴承转子的平均半径，α_s为E型结构窄齿的极弧角，δ为磁轴承部分的单边气隙长度，N_b、N_s分别偏置绕组和径向悬浮绕组的匝数，N_z为轴向悬浮绕组的匝数，γ为E型结构宽齿与窄齿间的夹角，ε为锥形角；

步骤E-2，根据所述i_av^*和Δi^*，以及计算公式和分别计算得到通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值

步骤F，调节径向悬浮力，具体步骤如下：

步骤F-1，根据所述悬浮力和通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅰ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

步骤F-2，根据所述悬浮力和通道Ⅰ转矩电流的参考值和通道Ⅱ转矩电流的参考值以及电流计算公式和解算得到锥形磁轴承Ⅱ的x方向悬浮绕组电流参考值和y轴方向悬浮绕组电流参考值

步骤F-3，利用电流斩波控制方法，用锥形磁轴承Ⅰ的x轴方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轴方向悬浮绕组的实际电流i_s2跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

用锥形磁轴承Ⅱ的x轴方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轴方向悬浮绕组的实际电流i_s4跟踪该方向悬浮绕组电流参考值

步骤G，调节转矩和轴向悬浮力；用通道Ⅰ的转矩绕组实际电流i_1I跟踪该转矩绕组电流参考值用通道Ⅱ的转矩绕组实际电流i_1II跟踪该转矩绕组电流参考值进而达到同时调节转矩和轴向悬浮力的目的。