一種錐形磁軸承開關磁阻電機及其控制方法與流程
本發明涉及一種錐形磁軸承開關磁阻電機及其控制方法，屬于電機類的磁懸浮開關磁阻電機及其控制技術領域。
背景技術：
磁懸浮開關磁阻電機，不僅具有無摩擦、無潤滑等優點，還繼承了開關磁阻電機的高速適應性和滿足苛刻工作環境等特點，在航空航天、飛輪儲能和軍事等場合具有獨特優勢。
錐形磁軸承開關磁阻電機是一種新型磁懸浮電機，該電機可實現轉矩和懸浮力的自然解耦，并利用開關磁阻電機的電樞繞組電流在磁軸承內產生的磁通，作為產生懸浮力所需的偏置磁通；另外由于磁軸承與開關磁阻電機相互隔離，懸浮運行對電動旋轉運行無影響。然而，由于三相電樞電流輪流作為產生偏置磁通的電流，因受e型磁軸承定子所限，一相導通時產生的偏置磁通與另外兩相不同，導致該懸浮電機輸出的懸浮力不均衡，從而影響懸浮運行的平穩性和高速懸浮精度。為此，本發明提出一種錐形磁軸承開關磁阻電機及其控制方法，該電機每個軸向磁軸承中的軸向懸浮繞組串聯在一起，構成一套軸向懸浮繞組，并獨立控制，除了控制軸向懸浮力外，還跟蹤b相和c相電樞繞組電流，并使他們與a相電樞繞組電流相等，從而形成對稱的偏置磁通，進而解決各相單獨勵磁時的徑向懸浮力輸出不平衡問題。
技術實現要素：
本發明為了克服現有技術的不足，提出一種錐形磁軸承開關磁阻電機及其控制方法。所述電機是一種懸浮控制簡單、懸浮系統成本低、偏置繞組與電樞繞組為一體結構的錐形磁軸承開關磁阻電機；另外，由于在e型錐形定子中的兩邊定子齒上分別增加了一套軸向懸浮繞組，在產生軸向懸浮力的同時，還可改善偏置磁通的分布，使之為恒值，進而簡化控制難度，及減小懸浮損耗；所述控制方法通過聯合控制5個懸浮繞組電流，并使軸向懸浮繞組電流跟蹤并優化三相電樞繞組電流的合成波形，使之為恒值，進而產生恒定的合成偏置磁通，增加懸浮控制精度；另外，旋轉和懸浮系統間相互解耦，彼此影響弱，控制變量較少，電流利用率高。
為了解決上述問題，本發明采用的技術方案為：
一種錐形磁軸承開關磁阻電機，包括錐形磁軸承ⅰ、開關磁阻電機和錐形磁軸承ⅱ；所述錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ分別布置在開關磁阻電機的兩側；
所述錐形磁軸承ⅰ由錐形定子ⅰ、錐形轉子ⅰ、軸向懸浮繞組ⅰ和徑向懸浮繞組ⅰ構成；
所述錐形磁軸承ⅱ由錐形定子ⅱ、錐形轉子ⅱ、軸向懸浮繞組ⅱ和徑向懸浮繞組ⅱ構成；
所述開關磁阻電機由磁阻電機定子、磁阻電機轉子、電樞繞組構成；
所述錐形轉子ⅰ布置在錐形定子ⅰ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內，錐形轉子ⅱ布置在錐形定子ⅱ內；所述錐形轉子ⅰ、磁阻電機轉子和錐形轉子ⅱ套在轉軸上；所述錐形定子ⅰ、磁阻電機定子和錐形定子ⅱ串聯布置，且錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ布置于磁阻電機定子的兩側，磁軸承定子ⅰ與磁阻電機定子間存在間隙，磁阻電機定子與磁軸承定子ⅱ間存在間隙；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子均為凸極結構，磁阻電機定子的齒數12，磁阻電機轉子的齒數為8，且所述開關磁阻電機為三相工作制；
所述錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ均為錐形凸極結構，所述錐形轉子ⅰ和錐形轉子ⅱ均為錐形圓柱結構；錐形定子ⅰ、錐形定子ⅱ、錐形轉子ⅰ和錐形轉子ⅱ的錐形角相等；錐形定子ⅰ和錐形轉子ⅰ的錐形角開口方向相同，錐形定子ⅱ和錐形轉子ⅱ的錐形角開口方向相同；錐形定子ⅰ和錐形轉子ⅰ的錐形角開口方向與錐形定子ⅱ和錐形轉子ⅱ的錐形角開口方向相反；
所述錐形定子ⅰ由4個e型結構ⅰ構成，4個e型結構ⅰ均勻分布，每個e型結構ⅰ之間相差90°；每個e型結構ⅰ的齒數為3，齒與齒之間相差30°；e型結構ⅰ的每個齒與所述磁阻電機定子齒處于對齊位置，且e型結構ⅰ的定子齒與磁阻電機定子齒的齒寬相等；所述錐形轉子ⅰ為圓柱結構；
所述錐形定子ⅱ由4個e型結構ⅱ構成，4個e型結構ⅱ均勻分布，每個e型結構ⅱ之間相差90°；每個e型結構ⅱ的齒數為3，齒與齒之間相差30°；e型結構ⅱ的每個齒與所述磁阻電機定子齒處于對齊位置，且e型結構ⅱ的定子齒與磁阻電機定子齒的齒寬相等；所述錐形轉子ⅱ為圓柱結構；
所述電樞繞組的纏繞方式為：每個電樞繞組橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子ⅰ的定子齒、1個磁阻電機定子齒和1個錐形定子ⅱ的定子齒，并纏繞在三者之上，共12個；
所述徑向懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅰ的中間定子齒上繞有1個徑向懸浮繞組ⅰ，共4個；
所述軸向懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅰ的兩個邊齒上各繞有1個軸向懸浮繞組ⅰ，共8個；
所述徑向懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅱ的中間定子齒上繞有1個徑向懸浮繞組ⅱ，共4個；
所述軸向懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅱ的兩個邊齒上各繞有1個軸向懸浮繞組ⅱ，共8個；
所述電樞繞組的連接方式為：處于水平方向的2個電樞繞組和處于豎直方向的2個電樞繞組串聯，構成a相電樞繞組；
圓周位置上與a相電樞繞組相差30°的4個電樞繞組串聯，構成b相電樞繞組；
圓周位置上與a相電樞繞組相差60°的4個電樞繞組串聯，構成c相電樞繞組；
所述錐形定子ⅰ的軸向懸浮繞組ⅰ連接方式為：8個軸向懸浮繞組ⅰ串聯，構成1個軸向正方向懸浮繞組；
所述錐形定子ⅱ的軸向懸浮繞組ⅱ連接方式為：8個軸向懸浮繞組ⅱ串聯，構成1個軸向負方向懸浮繞組；
所述錐形定子ⅰ的徑向懸浮繞組ⅰ連接方式為：在水平方向e型結構ⅰ的2個徑向懸浮繞組ⅰ串聯，構成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅰ；在豎直方向e型結構ⅰ的2個徑向懸浮繞組ⅰ串聯，構成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅰ；
所述錐形定子ⅱ的徑向懸浮繞組ⅱ連接方式為：在水平方向e型結構ⅱ的2個徑向懸浮繞組ⅱ串聯，構成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅱ；在豎直方向e型結構ⅱ的2個徑向懸浮繞組ⅱ串聯，構成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；
所述電機包括一個開關磁阻磁阻電機和兩個錐形磁軸承，其中開關磁阻電機產生旋轉轉矩，兩個錐形磁軸承產生4個徑向懸浮力和1個軸向懸浮力，以實現轉子五個方向的懸浮運行；所述電機繞組由3相電樞繞組、4個徑向懸浮繞組和2個軸向懸浮繞組構成，其中獨立控制三相電樞繞組電流，以調節轉矩，并產生懸浮所需的偏置磁通；聯合控制5個懸浮繞組電流，實現五自由度懸浮調節的同時，并實現轉矩與懸浮力間的解耦；包括如下步驟：
步驟a，獲取開通角θon和關斷角θoff；具體步驟如下：
步驟a-1，采集磁阻電機轉子實時轉速，得到轉子角速度ω；
步驟a-2，將磁阻電機轉子角速度ω與設定的參考角速度ω*相減，得到轉速差δω；
步驟a-3，所述轉速差δω，通過比例積分控制器，獲得開通角θon和關斷角θoff；
步驟b，獲取錐形磁軸承ⅰ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：
步驟b-1，分別獲取錐形轉子ⅰ的x軸和y軸方向的實時位移信號α1和β1，其中，x軸為水平方向，y軸為豎直方向；
步驟b-2，將實時位移信號α1和β1分別與給定的參考位移信號α1*和β1*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差δα1和δβ1；
將所述實時位移信號差δα1和δβ1分別經過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承ⅰ的x軸方向懸浮力
步驟c，獲取錐形磁軸承ⅱ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：
步驟c-1，分別獲取錐形轉子ⅱ的x軸和y軸方向的實時位移信號α2和β2；
步驟c-2，將實時位移信號α2和β2分別與給定的參考位移信號α2*和β2*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差δα2和δβ2；
將所述實時位移信號差δα2和δβ2分別經過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承ⅱ的x軸方向懸浮力
步驟d，獲取錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的z軸方向給定懸浮力，其中，z軸為軸向方向，與x、y軸相差90°；其具體步驟如下：
步驟d-1，獲取轉軸的z軸方向的實時位移信號zz；
步驟d-2，將實時位移信號zz與給定的參考位移信號zz*相減，得到z軸方向的實時位移信號差δz，將所述實時位移信號差δz經過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的z軸方向懸浮力
步驟e，調節懸浮力，具體步驟如下：
步驟e-1，采集3相實時的電樞繞組電流，根據所述懸浮力
解算得到錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組電流參考值
其中kf為懸浮力系數，
步驟e-2，計算錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的軸向繞組電流的參考值；已知兩個軸向懸浮繞組電流之差的參考值
步驟e-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組實際電流is1跟蹤該方向懸繞組電流參考值
用錐形磁軸承ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組實際電流is3跟蹤該方向懸繞組電流參考值
步驟f，調節轉矩；通過調節開通角θon和關斷角θoff的取值，從而實時調節轉矩。
本發明的有益效果：本發明提出了一種錐形磁軸承開關磁阻電機及其控制方法，采用本發明的技術方案，能夠達到如下技術效果：
(1)可實現五自由度懸浮運行，懸浮力和轉矩解耦，高速懸浮性能好；
(2)三相電樞繞組在磁軸承內產生的磁通作為懸浮所需的偏置磁通，電流利用率高，控制變量少，懸浮控制簡單；
(3)三相電樞繞組單獨勵磁時懸浮力輸出均衡，軸向懸浮繞組除產生軸向懸浮力外，還產生一定的偏置磁通，磁利用率高。
附圖說明
圖1是本發明錐形磁軸承開關磁阻電機的三維結構示意圖。
圖2是本發明a相電樞繞組和兩個徑向懸浮繞組ⅰ在錐形磁軸承ⅰ部分的連接方式示意圖。
圖3是本發明錐形磁軸承ⅰ中軸向懸浮繞組ⅰ的連接方式示意圖。
圖4是本發明錐形磁軸承ⅰ的磁通分布圖。
圖5是本發明錐形磁軸承開關磁阻電機控制方法的系統框圖。
圖6是五自由度懸浮繞組電流計算方法框圖。即四個徑向懸浮繞組電流和兩軸向懸浮電流之差的計算方法框圖。
圖7是為本發明兩個軸向懸浮繞組電流的計算方法框圖。
附圖標記說明：圖1至圖7中，1是磁阻電機定子，2是磁阻電機轉子，3是電樞繞組，4是錐形定子，5是錐形轉子，6是徑向懸浮繞組，7是軸向懸浮繞組，8是轉軸，9是12/8極開關磁阻電機，10是錐形磁軸承ⅰ，11是錐形磁軸承ⅱ，12、13、14分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向，15是a相電樞繞組的流入電流i1+，16是a相電樞繞組的流出電流i1-，17是錐形磁軸承ⅰ的x方向徑向懸浮繞組的流入電流is1+，18是錐形磁軸承ⅰ的x方向徑向懸浮繞組的流入電流is1-，19是錐形磁軸承ⅰ的y方向徑向懸浮繞組的流入電流is2+，20是錐形磁軸承ⅰ的y方向徑向懸浮繞組的流入電流is2-，21是錐形磁軸承ⅰ的軸向正方向懸浮繞組的流入電流iz1+，22是錐形磁軸承ⅰ的軸向正方向懸浮繞組的流出電流iz1-，23是氣隙1，24是氣隙2，25是氣隙3，26是氣隙4，27為三相電樞繞組在錐形磁軸承ⅰ內產生的偏置磁通，28為徑向懸浮繞組ⅰ在錐形磁軸承ⅰ內產生的磁通，29為軸向正方向懸浮繞組電流在錐形磁軸承ⅰ內產生的磁通，i2、i3分別為b、c相的電樞繞組電流，iz2為錐形磁軸承ⅱ的軸向負方向懸浮繞組電流。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明一種錐形磁軸承開關磁阻電機及其控制方法的技術方案進行詳細說明：
如圖1所示，是本發明錐形磁軸承開關磁阻電機的三維結構示意圖，其中，1是磁阻電機定子，2是磁阻電機轉子，3是電樞繞組，4是錐形定子，5是錐形轉子，6是徑向懸浮繞組，7是軸向懸浮繞組，8是轉軸，9是12/8極開關磁阻電機，10是錐形磁軸承ⅰ，11是錐形磁軸承ⅱ，12、13、14分別為x、y、z軸方向坐標軸的正方向。
一種錐形磁軸承開關磁阻電機，包括錐形磁軸承ⅰ、開關磁阻電機和錐形磁軸承ⅱ；所述錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ分別布置在開關磁阻電機的兩側；
所述錐形磁軸承ⅰ由錐形定子ⅰ、錐形轉子ⅰ、軸向懸浮繞組ⅰ和徑向懸浮繞組ⅰ構成；
所述錐形磁軸承ⅱ由錐形定子ⅱ、錐形轉子ⅱ、軸向懸浮繞組ⅱ和徑向懸浮繞組ⅱ構成；
所述開關磁阻電機由磁阻電機定子、磁阻電機轉子、電樞繞組構成；
所述錐形轉子ⅰ布置在錐形定子ⅰ內，磁阻電機轉子布置在磁阻電機定子內，錐形轉子ⅱ布置在錐形定子ⅱ內；所述錐形轉子ⅰ、磁阻電機轉子和錐形轉子ⅱ套在轉軸上；所述錐形定子ⅰ、磁阻電機定子和錐形定子ⅱ串聯布置，且錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ布置于磁阻電機定子的兩側，磁軸承定子ⅰ與磁阻電機定子間存在間隙，磁阻電機定子與磁軸承定子ⅱ間存在間隙；
所述磁阻電機定子和磁阻電機轉子均為凸極結構，磁阻電機定子的齒數12，磁阻電機轉子的齒數為8，且所述開關磁阻電機為三相工作制；
所述錐形定子ⅰ和錐形定子ⅱ均為錐形凸極結構，所述錐形轉子ⅰ和錐形轉子ⅱ均為錐形圓柱結構；錐形定子ⅰ、錐形定子ⅱ、錐形轉子ⅰ和錐形轉子ⅱ的錐形角相等；錐形定子ⅰ和錐形轉子ⅰ的錐形角開口方向相同，錐形定子ⅱ和錐形轉子ⅱ的錐形角開口方向相同；錐形定子ⅰ和錐形轉子ⅰ的錐形角開口方向與錐形定子ⅱ和錐形轉子ⅱ的錐形角開口方向相反；
所述錐形定子ⅰ由4個e型結構ⅰ構成，4個e型結構ⅰ均勻分布，每個e型結構ⅰ之間相差90°；每個e型結構ⅰ的齒數為3，齒與齒之間相差30°；e型結構ⅰ的每個齒與所述磁阻電機定子齒處于對齊位置，且e型結構ⅰ的定子齒與磁阻電機定子齒的齒寬相等；所述錐形轉子ⅰ為圓柱結構；
所述錐形定子ⅱ由4個e型結構ⅱ構成，4個e型結構ⅱ均勻分布，每個e型結構ⅱ之間相差90°；每個e型結構ⅱ的齒數為3，齒與齒之間相差30°；e型結構ⅱ的每個齒與所述磁阻電機定子齒處于對齊位置，且e型結構ⅱ的定子齒與磁阻電機定子齒的齒寬相等；所述錐形轉子ⅱ為圓柱結構；
所述電樞繞組的纏繞方式為：每個電樞繞組橫跨處于同一圓周位置上的1個錐形定子ⅰ的定子齒、1個磁阻電機定子齒和1個錐形定子ⅱ的定子齒，并纏繞在三者之上，共12個；
所述徑向懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅰ的中間定子齒上繞有1個徑向懸浮繞組ⅰ，共4個；
所述軸向懸浮繞組ⅰ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅰ的兩個邊齒上各繞有1個軸向懸浮繞組ⅰ，共8個；
所述徑向懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅱ的中間定子齒上繞有1個徑向懸浮繞組ⅱ，共4個；
所述軸向懸浮繞組ⅱ的纏繞方式為：每個錐形定子ⅱ的兩個邊齒上各繞有1個軸向懸浮繞組ⅱ，共8個；
所述電樞繞組的連接方式為：處于水平方向的2個電樞繞組和處于豎直方向的2個電樞繞組串聯，構成a相電樞繞組；
圓周位置上與a相電樞繞組相差30°的4個電樞繞組串聯，構成b相電樞繞組；
圓周位置上與a相電樞繞組相差60°的4個電樞繞組串聯，構成c相電樞繞組；
所述錐形定子ⅰ的軸向懸浮繞組ⅰ連接方式為：8個軸向懸浮繞組ⅰ串聯，構成1個軸向正方向懸浮繞組；
所述錐形定子ⅱ的軸向懸浮繞組ⅱ連接方式為：8個軸向懸浮繞組ⅱ串聯，構成1個軸向負方向懸浮繞組；
所述錐形定子ⅰ的徑向懸浮繞組ⅰ連接方式為：在水平方向e型結構ⅰ的2個徑向懸浮繞組ⅰ串聯，構成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅰ；在豎直方向e型結構ⅰ的2個徑向懸浮繞組ⅰ串聯，構成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅰ；
所述錐形定子ⅱ的徑向懸浮繞組ⅱ連接方式為：在水平方向e型結構ⅱ的2個徑向懸浮繞組ⅱ串聯，構成1個水平方向徑向懸浮繞組ⅱ；在豎直方向e型結構ⅱ的2個徑向懸浮繞組ⅱ串聯，構成1個豎直方向徑向懸浮繞組ⅱ；
三相電樞繞組在磁軸承內產生的磁通作為懸浮所需的偏置磁通，電流利用率高，控制變量少，懸浮控制簡單；三相電樞繞組單獨勵磁時懸浮力輸出均衡，軸向懸浮繞組除產生軸向懸浮力外，還產生一定的偏置磁通，磁利用率高。
圖2為本發明a相電樞繞組和兩個徑向懸浮繞組ⅰ在錐形磁軸承ⅰ部分的連接方式示意圖。處于水平方向和豎直方向的四個電樞串聯一起，構成a相電樞繞組，其每個電樞繞組在空間上相隔90°；a相電樞繞組電流產生的四極對稱磁通，呈nsns分布。當a相電樞繞組導通時，在磁阻電機內產生的磁場，用于產生轉矩；a、b、c三相電樞繞組在磁軸承內產生的合成磁場用于懸浮控制的偏置磁場。b相電樞繞組、c相電樞繞組與a相電樞繞組結構相同，僅在位置上與a相相差30°和-30°。
圖3是本發明軸向懸浮繞組ⅰ的連接方式示意圖。8個軸向懸浮繞組ⅰ串聯，構成1個軸向正方向懸浮繞組；錐形定子ⅱ的軸向懸浮繞組ⅱ連接方式與之相同，即8個軸向懸浮繞組ⅱ串聯，構成1個軸向負方向懸浮繞組。
圖4是本發明錐形磁軸承ⅰ的磁通分布圖。a、b、c三相電樞繞組產生的磁通如圖3中實線所示(線標號為27)，徑向懸浮繞組產生的磁通如圖中點虛線所示(線標號為28)，軸向懸浮繞組產生的磁通如圖中長點虛線所示(線標號為29)。電樞繞組產生的磁通在每個e型結構的中間齒上呈nsns分布。在氣隙1處徑向懸浮繞組和電樞繞組、軸向懸浮繞組產生磁通方向一樣，磁通增加；而在氣隙3處，方向相反，磁通減弱，進而產生一個x軸正方向的懸浮力和一個z軸正方向的懸浮力。在氣隙2處徑向懸浮繞組和電樞繞組、軸向懸浮繞組產生磁通方向一樣，磁通增加，而在氣隙4處，磁通減弱，進而產生一個y軸正方向的懸浮力和一個y軸正方向的懸浮力。同理，當徑向懸浮繞組電流反向時，將產生反方向的徑向懸浮力，但軸向懸浮力仍為正向。因此，在給定a、b、c三相電樞繞組電流時，合理控制x、y徑向懸浮繞組電流的大小和方向，以及z軸向懸浮繞組的大小，即可產生大小和方向均可控的徑向懸浮力，以及大小控制的軸向正方向懸浮力。
同理，錐形磁軸承ⅱ也產生大小和方向均可控的徑向懸浮力，以及大小控制的軸向負方向懸浮力。聯合控制四個徑向懸浮繞組電流和兩個軸向懸浮繞組電流，即實現轉子的五自由度懸浮運行。
電樞繞組電流采用pwm控制、脈沖控制和角位置控制等，與傳統開關磁阻電機的控制方法相同，而懸浮電流采用斬波控制。a、b、c三相電樞繞組電流由電流傳感器實時檢測得到，轉子位移由電渦流傳感器實時檢測獲得，經pi調節得到五個方向懸浮力的給定值。由于懸浮力與a、b、c三相電樞繞組電流、四個徑向懸浮繞組電流及兩個軸向懸浮繞組電流有關，進而解算得到五個方向的懸浮電流，作為功率變換器中電流控制的給定值，最終實現電機的五自由度懸浮運行。
如圖5所示，為本發明錐形磁軸承開關磁阻電機的系統框圖。旋轉控制采用pwm控制、脈沖控制和角位置控制等傳統開關磁阻電機的控制方法，而懸浮控制則采用電流斬波控制的方式。
轉矩控制為：檢測電機轉子位置信息，經計算分別得到實際轉速ω，將轉速誤差信號進行pi調節，獲得開通角θon和關斷角θoff，進而控制電樞繞組功率電路的導通狀態，從而實現電機旋轉。
懸浮控制為：將位移誤差信號進行pid調節獲得給定懸浮力
利用電流斬波控制方法，讓錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組實際電流is1跟蹤該方向懸繞組電流參考值
讓錐形磁軸承ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組實際電流is3跟蹤該方向懸繞組電流參考值
讓錐形磁軸承ⅰ的z軸方向軸向懸浮繞組實際電流iz1跟蹤該方向懸繞組電流參考值
如圖6為所示，為本發明的五自由度懸浮繞組電流計算方法框圖。圖中，kf為懸浮力系數，其表達式為：
式中，μ0為真空磁導率，l為錐形磁軸承的軸向長度，r為錐形轉子的半徑，αs為錐形磁軸承e型結構定子的極弧角，δ為磁軸承部分的單邊氣隙長度。
錐形磁軸承ⅰ的x和y軸方向懸浮力
式中，i1、i2、i3分別為a、b、c三相電樞繞組的電流，
錐形磁軸承ⅱ的x和y軸方向懸浮力
式中，
兩個錐形磁軸承的軸向合成懸浮力為：
由表達式(2)～(6)，當五個方向懸浮力的給定值已知時，需要求解6個懸浮繞組電流變量，為此需要引入一個約束方程：
將式(7)，帶入(2)～(6)后，得：
如圖7所示，為本發明兩個軸向懸浮繞組電流的計算方法框圖。根據式(7)，寫出兩個軸向懸浮電流與二者之差關系為：
由表達式(8)～(12)知，五個懸浮力給定值計算出5個懸浮控制變量，另外，由于懸浮力系數與開關磁阻電機的位置角無關，實現轉矩與懸浮力的解耦控制。根據公式(13)，計算出兩個軸向懸浮繞組電流的給定值。
需要指出的是，由于懸浮力正負隨徑向懸浮繞組電流的正負變化而變化，因此四個徑向懸浮繞組電流方向在控制時會發生變化，需采用可調電流方向的功率變換器。
所述一種錐形磁軸承開關磁阻電機的控制方法，其特征在于，所述電機包括一個開關磁阻磁阻電機和兩個錐形磁軸承，其中開關磁阻電機產生旋轉轉矩，兩個錐形磁軸承產生4個徑向懸浮力和1個軸向懸浮力，以實現轉子五個方向的懸浮運行；所述電機繞組由3相電樞繞組、4個徑向懸浮繞組和2個軸向懸浮繞組構成，其中獨立控制三相電樞繞組電流，以調節轉矩，并產生懸浮所需的偏置磁通；聯合控制5個懸浮繞組電流，實現五自由度懸浮調節的同時，并實現轉矩與懸浮力間的解耦；包括如下步驟：
步驟a，獲取開通角θon和關斷角θoff；具體步驟如下：
步驟a-1，采集磁阻電機轉子實時轉速，得到轉子角速度ω；
步驟a-2，將磁阻電機轉子角速度ω與設定的參考角速度ω*相減，得到轉速差δω；
步驟a-3，所述轉速差δω，通過比例積分控制器，獲得開通角θon和關斷角θoff；
步驟b，獲取錐形磁軸承ⅰ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：
步驟b-1，分別獲取錐形轉子ⅰ的x軸和y軸方向的實時位移信號α1和β1，其中，x軸為水平方向，y軸為豎直方向；
步驟b-2，將實時位移信號α1和β1分別與給定的參考位移信號α1*和β1*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差δα1和δβ1；
將所述實時位移信號差δα1和δβ1分別經過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承ⅰ的x軸方向懸浮力
步驟c，獲取錐形磁軸承ⅱ的x軸和y軸方向給定懸浮力；其具體步驟如下：
步驟c-1，分別獲取錐形轉子ⅱ的x軸和y軸方向的實時位移信號α2和β2；
步驟c-2，將實時位移信號α2和β2分別與給定的參考位移信號α2*和β2*相減，分別得到x軸方向和y軸方向的實時位移信號差δα2和δβ2；
將所述實時位移信號差δα2和δβ2分別經過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承ⅱ的x軸方向懸浮力
步驟d，獲取錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的z軸方向給定懸浮力，其中，z軸為軸向方向，與x、y軸相差90°；其具體步驟如下：
步驟d-1，獲取轉軸的z軸方向的實時位移信號zz；
步驟d-2，將實時位移信號zz與給定的參考位移信號zz*相減，得到z軸方向的實時位移信號差δz，將所述實時位移信號差δz經過比例積分微分控制器，得到錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的z軸方向懸浮力
步驟e，調節懸浮力，具體步驟如下：
步驟e-1，采集3相實時的電樞繞組電流，根據所述懸浮力
解算得到錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組電流參考值
其中kf為懸浮力系數，
步驟e-2，計算錐形磁軸承ⅰ和錐形磁軸承ⅱ的軸向繞組電流的參考值；已知兩個軸向懸浮繞組電流之差的參考值
步驟e-3，利用電流斬波控制方法，用錐形磁軸承ⅰ的x軸方向徑向懸浮繞組實際電流is1跟蹤該方向懸繞組電流參考值
用錐形磁軸承ⅱ的x軸方向徑向懸浮繞組實際電流is3跟蹤該方向懸繞組電流參考值
步驟f，調節轉矩；通過調節開通角θon和關斷角θoff的取值，從而實時調節轉矩。
綜上所述，本發明在結構上實現了轉矩和懸浮力的解耦，同時通過對兩個軸向懸浮繞組電流的單獨控制，跟蹤b相和c相電樞繞組電流，改善這兩相單獨勵磁時的偏置磁通，使之與a相相同，進而解決了各相單獨勵磁時的徑向懸浮力輸出不均衡問題。
對該技術領域的普通技術人員而言，根據以上實施類型可以很容易聯想其他的優點和變形。因此，本發明并不局限于上述具體實例，其僅僅作為例子對本發明的一種形態進行詳細、示范性的說明。在不背離本發明宗旨的范圍內，本領域普通技術人員根據上述具體實例通過各種等同替換所得到的技術方案，均應包含在本發明的權利要求范圍及其等同范圍之內。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！