一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法与流程
本发明涉及一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法，属于磁悬浮开关磁阻电机及其控制技术领域。
背景技术：
无轴承开关磁阻电机是20世纪90年代发展起来的一种新型磁悬浮电机。无轴承开关磁阻电机因集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可有效解决高速运行时轴承摩擦带来的损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。
随着研究的不断深入，人们逐渐认识到，能否解决转矩和悬浮力有效输出区域间的制约，悬浮与旋转两功能是否能解耦控制、以及高速时悬浮控制精度好坏，对bsrm高速性能是否能得到充分发挥起着至关重要的作用。
为此，nasa学者morrison提出了一种混合磁轴承开关磁阻电机，该电机由定子为8极凸极结构，而转子则采用复合结构，由一个圆柱转子和8极凸极转子构成。四个处于水平和竖直的绕组恒导通产生悬浮力，另外四个绕组两两连接为两相，轮流导通产生转矩。由于圆柱转子可产生较大的悬浮力，故该电机的径向负载能力得到显著提升，同时其具有全转子位置均具有悬浮轴承的能力。
然而，由于磁轴承与开关磁阻电机共用一个定子，两相电枢绕组与四个悬浮绕组间存在较强的磁耦合，悬浮力数学模型复杂；另外，四个悬浮绕组相当于传统8/6极开关磁阻电机的另外两相，且产生的转矩方向始终相反，转矩脉动大，限制了启动性能，该电机的启动能力与传统两相电机相似，存在启动死区；受其结构限制，该电机不能实现转矩和悬浮力的解耦控制，高速悬浮的精确控制较为困难。为此，改善启动性能、降低其耦合强度、实现解耦控制是该类电机的重点研究方向之一。
技术实现要素：
本发明目的是提出一种结构简单、启动性能较好、磁耦合强度弱、悬浮控制简单且可实现转矩和悬浮力解耦控制的混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种混合磁轴承开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子、磁轴承定子、磁轴承转子、转矩线圈、悬浮线圈和转轴；
所述磁阻电机定子与磁轴承定子串联紧密布置，所述磁阻电机转子与磁轴承转子串联紧密布置；所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子套在转轴上；
所述磁阻电机定子为凸极结构，齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；所述磁阻电机定子的极弧角与磁阻电机转子的极弧角相等，极弧角均为15°；
所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，所述磁轴承转子为圆柱结构；
所述4个磁轴承定子与4个磁阻电机定子对齐，且串联紧密布置，共构成4个悬浮力定子，其中2个相隔180°的悬浮力定子位于水平方向，剩余2个相隔180°的悬浮力定子位于竖直方向；
所述4个悬浮力定子上均绕有1个悬浮线圈，共4个悬浮线圈，组成a相绕组；磁阻电机定子剩余的8个齿上均1个转矩线圈，共8个；
所述4个相隔90°的转矩线圈串联，构成b相转矩绕组；剩余4个相隔90°的转矩线圈串联，构成c相转矩绕组；b相转矩绕组与c相转矩绕组在空间上相差30°；所述4个悬浮线圈独立控制，其中绕在水平正方向悬浮力定子上的悬浮线圈为水平正方向悬浮绕组，绕在水平负方向悬浮力定子上的悬浮线圈为水平负方向悬浮绕组，绕在竖直正方向悬浮力定子上的悬浮线圈为竖直正方向悬浮绕组，绕在竖直负方向悬浮力定子上的悬浮线圈为竖直负方向悬浮绕组。
a相4个悬浮绕组恒导通产生悬浮力，并产生半个转子周期产生正转矩，再剩余半个转子周期产生负转矩；b相和c相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；通过独立控制a相4个悬浮绕组电流的大小，以调节悬浮力，且悬浮绕组电流在一个转子周期内产生的正负转矩对称相等，平均转矩为零，故平均转矩与悬浮力解耦；通过控制b、c两相转矩绕组电流的大小，以调节输出转矩，转矩绕组电流仅作为悬浮绕组电流计算的一个中间变量，与悬浮控制无关，且转矩绕组电流仅与输出转矩相关，故转矩控制与悬浮控制相互独立；包括如下步骤：
步骤a，采集磁阻电机转子实时位置角θ，判别各相励磁状态；
步骤a-1，定义θ＝0时的磁阻电机转子位置为悬浮力定子齿与磁阻电机转子齿对齐的位置，一个磁阻电机转子周期角为45°，a相4个悬浮绕组恒导通，且每个悬浮力控制的导通区间均为[-22.5°，22.5°]，令θ＝0时4个悬浮绕组开始励磁导通；
步骤a-2，当θ＝θonb时，开通b相转矩绕组功率电路的功率开关，b相开始励磁导通，当θ＝θoffb时，关断b相转矩绕组功率电路的功率开关，b相结束励磁；其中，θonb和θoffb分别b相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，二者均与转速相关，θonb的取值范围为[-7.5°，0]，b相转矩绕组的导通角为(θoffb-θonb)，其取值范围为[15°，20°]；
步骤a-3，当θ＝θonc时，开通c相转矩绕组功率电路的功率开关，c相开始励磁导通，当θ＝θoffc时，关断c相转矩绕组功率电路的功率开关，c相结束励磁；其中，θonc和θoffc分别c相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，θonc＝θonb+15°，θoffc＝θoffb+15°；
步骤b，获取x轴方向给定悬浮力
步骤b-1，获取转子在x轴和y轴方向的实时位移信号α和β，其中，x轴与所述水平方向悬浮力定子齿中心线重合，y轴与所述竖直方向悬浮力定子齿中心线重合，x轴与y轴在空间上相差90°；
步骤b-2，将实时位移信号α和β分别与给定的参考位移信号α*和β*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差δα和δβ，将所述实时位移信号差δα和δβ经过比例积分微分控制器，得到所述相x轴方向给定悬浮力
步骤c，调节转矩，具体步骤如下：
步骤c-1，采集磁阻电机转子实时转速，计算得到磁阻电机转子角速度ω；
步骤c-2，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c-3，所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得转矩绕组电流参考值im*；
步骤c-4，利用电流斩波控制方法，以转矩绕组的实际电流im跟踪转矩绕组电流参考值im*，进而实时调节转矩绕组电流im，进而达到调节转矩的目的；
步骤d，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤d-1，根据所述悬浮力
其中，ki为第i悬浮区间的悬浮力系数，第1悬浮区间为θ∈[-22.5°，-15°]，第2悬浮区间为θ∈[-15°，0]，第3悬浮区间为θ∈[0，-15°]，第4悬浮区间为θ∈[15°，22.5°]，每个区间的悬浮力系数分别为：
式中，μ0为真空磁导率，l1为磁轴承的轴向长度，r1为磁轴承转子的半径，αs为磁轴承定子的极弧角，单位为度，δ1为磁轴承的单边气隙长度，ns为悬浮绕组匝数，l2为开关磁阻电机的轴向长度，r2为开关磁阻电机转子的半径，δ1为开关磁阻电机的单边气隙长度，开关磁阻电机定、转子极弧角度均为15°；
步骤d-2，根据所述
步骤d-3，利用电流斩波控制方法，让四个悬浮绕组的实际电流is1、is2、is3和is4分别跟踪其参考值
本发明的有益效果：本发明提出了一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：
(1)可实现平均转矩和悬浮力的解耦控制；
(2)控制简单，启动性能较好；
(3)结构简单，功率系统成本低。
附图说明
图1是混合磁轴承开关磁阻电机的三维结构示意图。
图2是本发明中开关磁阻电机的b和c相绕组示意图。
图3是本发明中磁轴承的a相4个悬浮绕组示意图。
图4是悬浮绕组和转矩绕组的电感和电流波形示意图。
图5是混合磁轴承开关磁阻电机的系统框图。
图6是本发明控制方法中的各悬浮绕组电流计算方法框图。
附图标记说明：图1至图6中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是磁轴承定子，4是磁轴承转子，5是转矩线圈，6是悬浮线圈，7是转轴，8、9、10分别x、y、z轴方向坐标轴的正方向，11为b相转矩绕组的流入电流ib+，12为b相转矩绕组的流出电流ib-，13为c相转矩绕组的流入电流ic+，14为c相转矩绕组的流出电流ic-，15为x轴正方向悬浮绕组的流入电流is1+，16为x轴正方向悬浮绕组的流入出流is1-，17为y轴正方向悬浮绕组的流入电流is2+，18为y轴正方向悬浮绕组的流出电流is2-，19为x轴负方向悬浮绕组的流入电流is3+，20为x轴负方向悬浮绕组的流出电流is3-，21为y轴负方向悬浮绕组的流入电流is4+，22为y轴负方向悬浮绕组的流出电流is4-，23、24、25、26分别为气隙1、气隙2、气隙3和气隙4，27、28、29分别为悬浮绕组、b相转矩绕组和c相转矩绕组的电感曲线，30、31、32分别为悬浮绕组、b相转矩绕组和c相转矩绕组的电流曲线，fα，fβ为x、y轴方向的悬浮力，fα*，fβ*为悬浮力的参考值，α、β分别为转子在x、y轴方向上的偏心位移，α*、β*分别为转子在x、y轴方向上偏心位移的参考值，θ为转子位置角，θon、θoff分别为开通和关断角，θonb、θoffb分别b相转矩绕组的为开通和关断角，θonc、θoffc分别c相转矩绕组的为开通和关断角。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种混合磁轴承开关磁阻电机及其控制方法的技术方案进行详细说明：
如图1所示，是混合磁轴承开关磁阻电机的三维结构示意图，其中，1是磁阻电机定子，2是磁阻电机转子，3是磁轴承定子，4是磁轴承转子，5是转矩线圈，6是悬浮线圈，7是转轴。
一种混合磁轴承开关磁阻电机，包括磁阻电机定子、磁阻电机转子、磁轴承定子、磁轴承转子、转矩线圈、悬浮线圈和转轴；
所述磁阻电机定子与磁轴承定子串联紧密布置，所述磁阻电机转子与磁轴承转子串联紧密布置；所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，所述磁阻电机转子和磁轴承转子套在转轴上；
所述磁阻电机定子为凸极结构，齿数为12，所有磁阻电机定子齿均匀分布，齿与齿相隔30°；所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所有磁阻电机转子齿均匀分布，齿与齿相隔45°；所述磁阻电机定子的极弧角与磁阻电机转子的极弧角相等，均为15°；
所述磁轴承定子为凸极结构，齿数为4，所有磁轴承定子齿均匀分布，齿与齿相隔90°，所述磁轴承转子为圆柱结构；
所述4个磁轴承定子与4个磁阻电机定子对齐，且串联紧密布置，共构成4个悬浮力定子，其中2个相隔180°的悬浮力定子位于水平方向，剩余2个相隔180°的悬浮力定子位于竖直方向；
所述4个悬浮力定子上均绕有1个悬浮线圈，共4个，构成a相绕组；磁阻电机定子剩余的8个齿上均1个转矩线圈，共8个；
所述4个相隔90°的转矩线圈串联，构成b相转矩绕组，剩余4个相隔90°的转矩线圈串联，构成c相转矩绕组，b相转矩绕组与c相转矩绕组在空间上相差30°；所述4个悬浮线圈独立控制，其中绕在水平正方向悬浮力定子上的悬浮绕组为水平正方向悬浮绕组，绕在水平负方向悬浮力定子上的悬浮绕组为水平负方向悬浮绕组，绕在竖直正方向悬浮力定子上的悬浮绕组为竖直正方向悬浮绕组，绕在竖直负方向悬浮力定子上的悬浮绕组为竖直负方向悬浮绕组。
如图2所示，是本发明中开关磁阻电机的b和c相绕组示意图。b相和c相转矩绕组均由空间上相隔90°的四个绕组串联而成，二者在位置上与悬浮绕组相差30°和-30°。b相和c相的四个磁极均呈nsns分布。
如图3所示，是本发明中磁轴承的a相4个悬浮绕组示意图。每个悬浮绕组横跨一个磁轴承定子和与之对齐的磁阻电机定子，即绕在悬浮力定子上，四个悬浮绕组单独为一套绕组，独立控制，且进行不对称励磁，在磁轴承内仅产生悬浮力，在开关磁阻电机内不仅产生悬浮力，还产生转矩。四个悬浮绕组产生的磁场极性呈nsns分布。
当x轴正方向悬浮绕组电流is1大于x轴正方向悬浮绕组电流is3时，气隙1(标号23)处的气隙磁密大于气隙3(标号25)处的气隙磁密，将产生一个x轴正方向的悬浮力；反之，is1<is3时，将产生一个x轴负方向的悬浮力。
当y轴正方向悬浮绕组电流is2大于y轴正方向悬浮绕组电流is4时，气隙2(标号24)处的气隙磁密大于气隙4(标号26)处的气隙磁密，将产生一个y轴正方向的悬浮力；反之，is2<is4时，将产生一个y轴负方向的悬浮力。
因此，合理控制四个悬浮绕组电流的大小，即可产生所需的悬浮力，以实现转子的两自由度的悬浮。
如图4所示，是悬浮绕组和转矩绕组的电感和电流波形示意图。图中，标号27、28、29分别为悬浮绕组、b相转矩绕组和c相转矩绕组的电感曲线，标号30、31、32分别为悬浮绕组、b相转矩绕组和c相转矩绕组的电流曲线。由于悬浮绕组采用恒导通控制方式，悬浮绕组电流是一个连续且呈周期性变化的曲线，周期角为45°，在对齐位置(θ＝0)，悬浮绕组电流最小，在不对齐位置(θ＝22.5°或-22.5°)，悬浮绕组电流最大。由于在不对齐位置附近[-22.5°,-15°]和[15°,22.5°]，开关磁阻电机的磁阻基本恒定，此区间内的悬浮力也基本恒定，与转子位置角无关，故悬浮绕组电流也基本为恒值。
两相转矩绕组电流被控制位方波形式，为周期性变化规律，周期角也为45°，且二者的开关角相差15°。
另外，在[-22.5°，0]内悬浮绕组电流产生正转矩，在[0，22.5°]内悬浮绕组电流产生负转矩，由于[-22.5°，0]和[0，22.5°]两个区间内的悬浮电流对称相等，故两区间内产生的正负转矩恰好相等，平均转矩为零，进而可实现平均转矩与悬浮力的解耦控制。
如图5所示，是磁轴承开关磁阻电机的系统框图。控制过程为：将位移误差信号进行pid调节，获得给定悬浮力fα*，fβ*，之后经过悬浮电流控制器，获得各悬浮绕组电流的参考值，利用电流斩波控制方法，让各悬浮绕组实际电流跟踪各自的参考值，以产生所需的悬浮力。
检测电机转子位置信息，经计算得到实际转速ω，获得每相转矩绕组的开通角θon和关断角θoff，将转速误差信号进行pi调节，获得b相和c相转矩绕组电流的参考值，利用电流斩波控制让两相实际电流跟踪每相绕组电流的参考值，而动态调节输出转矩。
如图6所示，是本发明控制方法中的各悬浮绕组电流计算方法框图。由于随着转子位置角θ的变化，各悬浮绕组电流产生的悬浮也随之变化，另外一个转子位置角的周期为45°，故只需推导出一个周期内的悬浮力公式即可。
1、当转子处于第1区间时，即θ∈[-22.5°,-15°]，x和y轴方向悬浮力fα和fβ的表达式为：
其中，k1为悬浮力系数，其表达式为：
式中，μ0为真空磁导率，l1为磁轴承的轴向长度，r1为磁轴承转子的半径，αs为磁轴承定子的极弧角度，δ1为磁轴承的单边气隙长度，ns为悬浮绕组匝数。
2、当转子处于第2区间时，即θ∈[-15°,0]，x和y轴方向悬浮力fα和fβ的表达式为：
其中，k2为悬浮力系数，其表达式为：
式中，l2为开关磁阻电机的轴向长度，r2为开关磁阻电机转子的半径，δ1为开关磁阻电机的单边气隙长度，此时开关磁阻电机定、转子极弧角度均为15°。
3、当转子处于第3区间时，即θ∈[0,15°]，x和y轴方向悬浮力fα和fβ的表达式为：
其中，k3为悬浮力系数，其表达式为：
4、当转子处于第4区间时，即θ∈[15°,22.5°]，x和y轴方向悬浮力fα和fβ的表达式为：
其中，k4为悬浮力系数，其表达式为：
当两个径向悬浮力已知时，需引入两个约束方程，才能求解四个电流变量，令：
其中，im为b、c相转矩绕组电流值，δis1为水平方向两悬浮绕组电流之差，δis2为竖直方向两悬浮绕组电流之差。
则上述悬浮力公式变为：
fα＝kiimδis1(14)
fβ＝kiimδis2(15)
式中，ki为第i区间的悬浮力系数。
控制中，两个径向位移经pid调节后，可得到两个方向悬浮力的参考值
进一步更根据式(13)、(16)和(17)，可解算出四个悬浮绕组电流的参考值
上述分析显示，转矩绕组电流仅作为悬浮电流计算的一个中间变量，其具体数值仅由速度闭环中的pi调节决定，即仅取决于实时的输出转矩；而在悬浮绕组电流整个计算过程中，未考虑悬浮绕组电流对输出转矩的影响，悬浮电流对输出转矩的影响仅通过速度闭合的pi调节来弥补。故转矩控制和悬浮力控制相互解耦，另外，一个转子周期内，悬浮绕组电流产生的转矩为零，即平均转矩为零，因此平均转矩与悬浮力也相互解耦。
需要指出的是，由于悬浮力和转矩正负仅随悬浮绕组电流大小和转子位置角变化而变化，因此四个悬浮绕组电流和两个转矩绕组电流的方向在控制时均不发生变化，故只需采用单电流方向的功率变换器即可，为此可明显减少功率开关管的数量，进而降低功率变换器的成本。
所述的一种混合磁轴承开关磁阻电机的控制方法，a相4个悬浮绕组恒导通产生悬浮力，并产生半个转子周期产生正转矩，再剩余半个转子周期产生负转矩；b相和c相转矩绕组轮流励磁导通，产生转矩；通过独立控制a相4个悬浮绕组电流的大小，以调节悬浮力，且悬浮绕组电流在一个转子周期内产生的正负转矩对称相等，平均转矩为零，故平均转矩与悬浮力解耦；通过控制b、c两相转矩绕组电流的大小，以调节输出转矩，转矩绕组电流仅作为悬浮绕组电流计算的一个中间变量，与悬浮控制无关，且转矩绕组电流仅与输出转矩相关，故转矩控制与悬浮控制相互独立；包括如下步骤：
步骤a，采集转子实时位置角θ，判别各相励磁状态；
步骤a-1，定义θ＝0时的转子位置为悬浮力定子齿与磁阻电机转子齿对齐的位置，一个转子周期角为45°，a相4个悬浮绕组恒导通，且每个悬浮力控制的导通区间均为[-22.5°，22.5°]，令θ＝0时4个悬浮绕组开始励磁导通；
步骤a-2，当θ＝θonb时，开通b相转矩绕组功率电路的功率开关，b相开始励磁导通，当θ＝θoffb时，关断b相转矩绕组功率电路的功率开关，b相结束励磁；其中，θonb和θoffb分别b相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，二者均与转速相关，θonb的取值范围为[-7.5°，0]，b相转矩绕组的导通角为(θoffb-θonb)，其取值范围为[15°，20°]；
步骤a-3，当θ＝θonc时，开通c相转矩绕组功率电路的功率开关，c相开始励磁导通，当θ＝θoffc时，关断c相转矩绕组功率电路的功率开关，c相结束励磁；其中，θonc和θoffc分别c相转矩绕组功率电路的开通角和关断角，θonc＝θonb+15°，θoffc＝θoffb+15°；
步骤b，获取x轴方向给定悬浮力
步骤b-1，获取转子在x轴和y轴方向的实时位移信号α和β，其中，x轴与所述水平方向悬浮力定子齿中心线重合，y轴与所述竖直方向悬浮力定子齿中心线重合，x轴与y轴在空间上相差90°；
步骤b-2，将实时位移信号α和β分别与给定的参考位移信号α*和β*相减，分别得到x轴方向和y轴方向的实时位移信号差δα和δβ，将所述实时位移信号差δα和δβ经过比例积分微分控制器，得到所述相x轴方向给定悬浮力
步骤c，调节转矩，具体步骤如下：
步骤c-1，采集转子实时转速，计算得到转子角速度ω；
步骤c-2，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c-3，所述转速差δω，通过比例积分控制器，获得转矩绕组电流参考值im*；
步骤c-4，利用电流斩波控制方法，以转矩绕组的实际电流im跟踪转矩绕组电流参考值im*，进而实时调节转矩绕组电流im，进而达到调节转矩的目的；
步骤d，调节悬浮力，具体步骤如下：
步骤d-1，根据所述悬浮力
其中，ki为第i悬浮区间的悬浮力系数，第1悬浮区间为θ∈[-22.5°，-15°]，第2悬浮区间为θ∈[-15°，0]，第3悬浮区间为θ∈[0，-15°]，第4悬浮区间为θ∈[15°，22.5°]，每个区间的悬浮力系数分别为：
式中，μ0为真空磁导率，l1为磁轴承的轴向长度，r1为磁轴承转子的半径，αs为磁轴承定子的极弧角，单位为度，δ1为磁轴承的单边气隙长度，ns为悬浮绕组匝数，l2为开关磁阻电机的轴向长度，r2为开关磁阻电机转子的半径，δ1为开关磁阻电机的单边气隙长度，开关磁阻电机定、转子极弧角度均为15°；
步骤d-2，根据所述
步骤d-3，利用电流斩波控制方法，让四个悬浮绕组的实际电流is1、is2、is3和is4分别跟踪其参考值
综上所述，本发明结构简单，悬浮控制实施方便，功率系统成本低，且可实现平均转矩与悬浮力的解耦控制，以及转矩与悬浮力的独立控制。
对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。
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