电磁式无轴承双凸极电机及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了电磁式无轴承双凸极电机及其控制方法，属于无轴承凸极电机的技术领域。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机定转子均为凸极结构，定子上绕有集中绕组，转子上既没有永磁体也没有绕组，结构简单坚固，维护方便。因此开关磁阻电机具有高温环境及高速运行适应性。然而高转速不可避免地引起机械轴承发热和磨损等问题，缩短轴承寿命，影响电机的正常运转，降低系统的可靠性，极大程度地削弱了磁阻电机适宜高速运行的优势。
[0003]相比于机械轴承，磁轴承可实现定、转子无接触运行，具备无机械磨损、无需润滑、控制精度高、使用寿命长、维护成本小、承受转速高等优点。然而磁轴承各向悬浮电流均需要单独控制，所需功率器件较多，控制难度大；磁轴承占据独立空间，系统结构较为复杂，成本高，功率密度低；同时开关磁阻电机定转子极间径向电磁力较大，且呈现脉振特点，严重影响磁悬浮系统稳定运行。
[0004]无轴承电机是将磁轴承功能与驱动或发电功能集成一体的新型电机，具有空间利用率高，结构紧凑等特点，通过调节悬浮电流，主动控制电机极间径向电磁力，提高了电机高速运行可靠性，提高了功率密度及效率。无轴承电机类型主要有无轴承异步电机，无轴承永磁同步电机，以及无轴承磁阻电机。无轴承异步电机以其结构简单，易于弱磁等特点成为最早研宄的无轴承电机类型，然而其悬浮力控制和转矩控制相互耦合，难以实现高速稳定运行。无轴承永磁同步电机功率密度高，效率高，然而一方面在高温等恶劣环境中，永磁体容易发生不可逆退磁，影响电机性能；另一方面由于永磁体位于转子上，高速运行容易导致永磁体碎裂脱落等事故，危害系统安全。无轴承开关磁阻电机继承了开关磁阻电机结构简单可靠的优势，特别适合在高温等恶劣场合运行，同时其自身的悬浮功能避免了极间径向电磁力干扰，能够实现高速稳定运行。然而无轴承开关磁阻电机转矩和悬浮力存在非线性耦合，增加了系统实现难度，例如授权发明专利CN101546978B公开了一种基于双绕组无轴承开关磁阻电机的控制方法，该方法能够实现无轴承开关磁阻电机全周期发电，弥补了周期性分时发电局限性，然而悬浮电流需要根据电枢电流变化实时进行调节，绕组磁场之间相互耦合，控制算法较为复杂；另一方面所需要的功率器件较多，降低了系统可靠性，增加了成本。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了电磁式无轴承双凸极电机及其控制方法，电机利用绕制在定子极上的励磁绕组实现电机的励磁省去了永磁体以简化结构，同时提供偏置磁场，采用独立悬浮绕组控制悬浮力避免了非线性耦合问题，控制方法单独控制悬浮电流和励磁电流，能够方便实现电机悬浮控制及输出控制，实现了电机输出与悬浮之间的相互解耦，解决了现有无轴承电机难以高速稳定运行、永磁体退磁导致电机性能下降、励磁与悬浮控制耦合导致控制方法复杂且依赖较多功率器件的技术问题。
[0006]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
电磁式无轴承双凸极电机，包括:定子铁心、转子铁心、电枢绕组、励磁绕组、悬浮绕组，转子铁心包括数个转子齿极，定子铁心包括由若干定子齿极构成的数个定子极，相邻定子极之间的间隙形成定子槽，定子齿极上绕有的电枢线圈按其匝链磁通变化规律相同的原则相连后形成电枢绕组，定子槽中嵌有绕在定子极上的励磁线圈以及悬浮线圈，绕在各定子极上的励磁线圈依次连接后形成励磁绕组，空间径向相对位置上的悬浮线圈连接后分别形成产生正交悬浮磁场的α轴方向悬浮绕组、β轴方向悬浮绕组。
[0007]作为所述电磁式无轴承双凸极电机的进一步优化方案，转子铁心由齿槽式铁心叠片构成。
[0008]进一步的，所述电磁式无轴承双凸极电机为12η/8η的三相结构或16η/12η的四相结构，η为正整数。
[0009]进一步的，所述电磁式无轴承双凸极电机中，定子铁心位于转子铁心外部或者转子铁心位于定子铁心外部。
[0010]电磁式无轴承双凸极电机的控制方法，电枢绕组与外部整流电路连接，励磁绕组与外部励磁控制电路连接，悬浮绕组与悬浮控制电路连接，控制方法具体如下:
检测转子实际位移、外部整流电路直流侧的实际电压；
采用励磁调节环节对外部整流电路直流侧的实际电压与其参考值之差进行调制得到励磁电流参考值，调节外部励磁控制电路中开关器件的占空比以实现励磁电流跟踪其参考值；
采用悬浮调节环节对转子实际位移与其参考值之差进行调制得到α轴方向悬浮电流参考值、β轴方向悬浮电流参考值，调节悬浮控制电路中开关器件的占空比以实现α轴方向悬浮电流跟踪其参考值、β轴方向悬浮电流跟踪其参考值。
[0011]进一步的，所述电磁式无轴承双凸极电机的控制方法，采用PID控制器作为励磁调节环节、悬浮调节环节。
[0012]进一步的，所述电磁式无轴承双凸极电机的控制方法，采用全桥不可控整流电路或零式不可控整流电路作为外部整流电路。
[0013]进一步的，所述电磁式无轴承双凸极电机的控制方法，采用单管斩波电路或不对称半桥电路作为外部励磁控制电路。
[0014]进一步的，所述电磁式无轴承双凸极电机的控制方法，采用全桥逆变电路作为悬浮控制电路。
[0015]本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:
(O电机利用绕制在定子极上的励磁绕组实现电机的励磁省去了永磁体以简化结构，同时提供偏置磁场，采用独立悬浮绕组控制悬浮力避免了非线性耦合问题，本发明公开的双凸极电机定转子结构与开关磁阻电机相似，因此适合高温高速运行；
(2)发电工作不依赖可控功率变换器和转子位置角传感器，系统结构简单，只需要灵活调节励磁电流即可控制输出电压；
(3)悬浮绕组中的悬浮电流控制与转子位置角和电枢电流大小无关，且α轴方向悬浮绕组与β轴方向悬浮绕组产生的磁场正交，励磁绕组产生的偏置磁场独立，因此悬浮控制性能优异；
(4)减少了悬浮控制功率器件，提高了系统可靠性，降低了系统成本；
(5)控制方法单独控制悬浮电流和励磁电流，能够方便实现电机悬浮控制及输出控制，实现了电机输出与悬浮之间的相互解耦。
[0016]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0017]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0018]图1为本发明电磁式无轴承双凸极电机的结构示意图；
图2 (a)至图2 (d)分别为本发明电磁式无轴承双凸极电机外部整流电路、励磁控制电路、α轴悬浮控制电路、β轴悬浮控制电路的示意图；
图3为本发明电磁式无轴承双凸极电机转子O度时的磁通方向示意图；
图4为本发明电磁式无轴承双凸极电机转子β轴方向受力随转子位置角变化曲线示意图；
图5为本发明电磁式无轴承双凸极电机转子β轴方向受力平均值与β轴方向悬浮绕组中的悬浮电流关系曲线示意图。
[0019]图中标号说明:1、定子铁心；2、转子铁心；3、电枢绕组；4、励磁绕组；5、α轴方向悬浮绕组；6、β轴方向悬浮绕组；7、通正方向励磁电流时励磁绕组产生的励磁磁通；8、通正方向悬浮电流时悬浮绕组产生的悬浮磁通！D1-D6为第一至第六整流二极管；Lf为励磁绕组；Q为MOSFET开关管；Q1-Q8为第一 MOS管至第八MOS管。
【具体实施方式】
[0020]下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0021]本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0022]本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0023]图1显示了本发明电磁式无轴承双凸极电机结构示意图，采用12/8极的双凸极结构，包括定子铁心1、转子铁心2、电枢绕组3、励磁绕组4、α轴方向悬浮绕组5、和β轴方向悬浮绕组6，其中，α轴为直角坐标系中的横轴，β轴为直角坐标系中的纵轴，定子铁心2包括12个齿极，每3个齿极构成一个定子极，相邻定子极之间的间隙形成定子槽。转子铁心2由齿槽式铁心叠片构成。每个定子齿极上绕有电枢线圈，按其匝链的磁通变化规律相同原则按照图1所示的接线依次串联构成电枢绕组3。在三相电枢绕组中，每相有两个出线端，三相总共六个出线端，分别为Α，X，B, Y, C，Ζ，其中，Α，B, C为同名端。定子槽中嵌有绕在定子极上的励磁线圈，按照图1所示的接线依次串联构成励磁绕组4:每套励磁线圈绕制方式相同，共有两个连接端，分别为第一连接端和第二连接端，以某套励磁线圈Lfl的第一连接端为一出线端，其第二连接端与顺(逆)时针方向的下一套励磁线圈Lf2的第二