一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机及其控制方法.pdf

本发明公开了一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机及其控制方法，该发电机定子有12个齿极，每个定子齿极绕有一套绕组，转子由6个齿极和一个圆盘轴向叠加而成，无绕组。所述发电机定子凸极极宽与转子凸极极宽相同。所述结构使得每相电感有1/2周期位于底部平坦区域，1/4位于上升区域，1/4位于下降区域。发电运行时，只导通机械结构互成120°且电感处于平坦区和上升区的三相，每相独立控制产生悬浮力并为发电阶段励磁，剩余处于电感下降区三相则续流发电。该新型发电机集径向磁轴承与开关磁阻电机于一体，转子极制动转矩大，发电出力多，悬浮相电流对发电相电流影响小，径向负载能力强。

权利要求书1.  一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机，其特征在于：包括圆盘(1)，定子凸极(2)，转子凸极(3)，绕组(4)，定子铁心(5)，气隙(6)；电机的转子由圆盘(1)与转子凸极(3)轴向叠加组成，圆盘(1)提供径向力，转子凸极(3)提供制动转矩，转子铁心径向上等间隔分布6个转子凸极(3)，电机的定子包括定子凸极(2)，绕组(4)，定子铁心(5)，所述定子铁心(5)上等间隔分布12个定子凸极(2)，所述转子凸极(3)与定子凸极(2)的极宽相同，每个定子凸极(2)的定子齿上绕有一套绕组(4)，定子上间隔60°两个齿极上的绕组串联作为一相，共6相。2.  根据权利1所述的一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机，其特征在于：所述圆盘(1)的轴向厚度与转子凸极(3)的轴向厚度之和为电机的轴向长度，所述圆盘(1)的直径与转子凸极(3)外径相同。3.  根据权利1所述的一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机，其特征在于：所述气隙(6)介于电机定子和转子之间。4.  一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，其特征在于：步骤4.1，在绕组电感处于平坦区和上升区的位置，向定子上互成120°分布的三对绕组(4)通入电流进行励磁，分别控制每一对绕组(4)的电流大小，吸引圆盘(1)产生三个自由度方向上径向悬浮力Fx、Fy、Fz；步骤4.2，保持绕组(4)持续励磁直至发电阶段开始，绕组(4)在电感最大位置处励磁结束，励磁结束前强迫控制绕组中的电流幅值相同，绕组电感进入下降区开始续流发电，励磁结束同时导通定子上其余三对绕组(4)，分别控制此三对绕组的电流大小，重复步骤3.1励磁过程；步骤4.3，根据步骤3.1、步骤3.2交替对定子上的6相绕组(4)进行换相励磁，使得径向悬浮力Fx、Fy、Fz维持圆盘悬浮于气隙(6)磁场中。5.  根据权利要求4所述的一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，其特征在于：所述绕组电感处于平坦区和上升区的位置时，绕组电流产生的磁链通过圆盘(1)、定子凸极(2)、定子铁心(5)形成闭合磁路；所述绕组电感进入下降区时，绕组电流产生的磁链通过转子凸极(3)、定子凸极(2)定子铁心(5)形成闭合磁路。

说明书一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机及其控制方法，属于磁悬浮开关磁阻发电机领域。
背景技术
磁悬浮开关磁阻电机是将磁轴承技术与开关磁阻电机相结合，实现磁轴承与开关磁阻电机共用一套绕组，通过控制绕组电流使其同时具有自悬浮和电动发电的能力，实现电机的无轴承运行。由于磁悬浮开关磁阻电机结构上与开关磁阻电机的相似性，继磁悬浮开关磁阻电机电动运行研究之后，拓展磁悬浮开关磁阻电机发电运行模式已经成为一个研究的热点。
传统的磁悬浮开关磁阻发电机，其励磁和发电过程是周期性分时控制的，难以实现对悬浮力大小的实时跟踪控制。文献“三相串联励磁式无轴承开关磁阻电机发电原理与实现”在双绕组结构基础上提出了相邻三极串联悬浮励磁，一相四极串联发电的悬浮发电的控制策略。但是励磁绕组提供悬浮力的同时，要给相邻三相发电绕组提供励磁能量，多个定子极之间磁路耦合严重，发电电压和悬浮力的数学模型难以建立，悬浮力与发电电压解耦控制效果有待提高。
磁悬浮开关磁阻发电机，发电原理类似于普通开关磁阻电机，磁链随转子的旋转发生变化，电感下降区运动电动势使得部分磁能释放出来变为电能。以12/8极开关磁阻发电机为例，单向导通模式下，同一时刻仅有一相绕组电感位于下降区，转子只有4极可产生制动转矩，机械能转化效率低，输出功率密度有待提高。
发明内容
本发明提出一种新型磁悬浮发电机，转子集凸极转子和盘形磁轴承于一体，制动转矩与悬浮力之间耦合小，控制算法简单，功率密度高。
本发明采用的技术方案如下：
一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机，包括圆盘，定子凸极，转子凸极，绕组，定子铁心，气隙；电机的转子由圆盘与转子凸极轴向叠加组成，圆盘提供径向力，转子凸极提供制动转矩，转子铁心径向上等间隔分布6个转子凸极，电机的定子包括定子凸极，绕组，定子铁心，所述定子铁心上等间隔分布12个定子凸极，所述转子凸极与定子 凸极的极宽相同，每个定子凸极的定子齿上绕有一套绕组，定子上间隔60°两个齿极上的绕组串联作为一相，共6相。
进一步，所述圆盘的轴向厚度与转子凸极的轴向厚度之和为电机的轴向长度，所述圆盘的直径与转子凸极外径相同。
进一步，所述气隙介于电机定子和转子之间。
本发明的方法的技术方案为：
一种12/6极混合转子结构磁悬浮开关磁阻电机的控制方法，包括：
步骤3.1，在绕组电感处于平坦区和上升区的位置，向定子上互成120°分布的三对绕组通入电流进行励磁，分别控制每一对绕组的电流大小，吸引圆盘产生三个自由度方向上径向悬浮力Fx、Fy、Fz；
步骤3.2，保持绕组持续励磁直至发电阶段开始，绕组在电感最大位置处励磁结束，励磁结束前强迫控制绕组中的电流幅值相同，绕组电感进入下降区开始续流发电，励磁结束同时导通定子上其余三对绕组，分别控制此三对绕组的电流大小，重复步骤3.1励磁过程；
步骤3.3，根据步骤3.1、步骤3.2交替对定子上的6相绕组进行换相励磁，使得径向悬浮力Fx、Fy、Fz维持圆盘悬浮于气隙磁场中。
进一步，所述绕组电感处于平坦区和上升区的位置时，绕组电流产生的磁链通过圆盘、定子凸极、定子铁心形成闭合磁路；所述绕组电感进入下降区时，绕组电流产生的磁链通过转子凸极、定子凸极定子铁心形成闭合磁路。
本发明的有益效果：
1)定子极采用集中绕组，转子极无绕组，结构清晰，功能明确。
2)混合转子结构圆盘和转子凸极分别提供悬浮力和制动转矩，结构清晰，控制目标明确。
3)悬浮力不随转子位置角周期变化，径向力波动小，径向负载能力强。
4)所有转子凸极同步产生制动转矩，制动转矩利用效率高，机械能的转化效率高。
5)多相绕组同时励磁，悬浮相发电相相互独立，可连续输出发电电压，相对于传统磁悬浮开关磁阻电机周期分时发电模式具有明显优势。
6)本发明的方法能够避免发电阶段电流的不平衡导致悬浮力失稳，制动转矩与悬浮力之间耦合小，控制算法简单。
附图说明
图1是混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机二维结构示意图。
图2是混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机三维结构示意图。
图3是混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机三相悬浮绕组结构示意图。
图4是混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机三相发电绕组结构示意图。
图5是混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机一相电流变化以及自电感分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1、2所示，本发明所述混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机，电机铁心由凸极定子、凸极转子和圆盘转轴混合结构组成；包括圆盘1，定子凸极2，转子凸极3，绕组4，定子铁心5，气隙6。其中转子由圆盘1与转子凸极3轴向叠加组成；圆盘1提供径向力，转子凸极3提供制动负转矩。
本发明所述混合转子结构磁悬浮开关磁阻发电机，定子凸极齿数为12，混合结构转子凸极齿数为6，每相绕组由间隔60°的两个绕组4串联组成，每相均独立控制。本发明转子无绕组，每个定子极绕有一套绕组4，定子上间隔60°两个齿极上的绕组串联作为一相，混合结构转子凸极3的齿数为6，转子凸极3与定子凸极2极宽相同；圆盘1与转子凸极3轴向叠加且外径与转子凸极3外径相同；转子凸极3与圆盘1轴向长度比例遵循实际悬浮力与制动转矩要求。
如图3所示转子凸极3转过对齐位置时，悬浮相分布如图所示，此时圆盘受到x、y、z三个方向上的径向力，合成得到悬浮力；x方向的悬浮力由绕组电流ix1控制，其中ix1+为流入电流，ix1-为流出电流，控制ix电流大小即可控制x方向径向力；同理，y方向的悬浮力由绕组电流iy1提供，其中iy1+为流入电流，iy1-为流出电流，z方向的悬浮力由绕组电流iz1提供，其中iz1+为流入电流，iz1-为流出电流。
发电相分布如图4所示，励磁结束进入发电阶段，各绕组中励磁电流幅值相同，此时定转子凸极处于对齐位置，以逆时针为旋转正方向，分别为绕组流入流出电流，所有转子凸极3将产生制动转矩，运动电动势为负。
图5是本发明所述发电机A相绕组电感和电流随转子位置角变化曲线，A、B、C三相为空间对称三相，悬浮发电过程同步，仅以A相为例说明悬浮与发电过程。当转子位于区间I内θ∈[-15°，15°]时，A相作为悬浮相导通，此时A相电感位于底部平坦区域，由于圆盘部分磁路磁阻较小，圆盘提供径向力的同时不产生转矩，采用电流斩波或者PWM斩波等方法控制电流大小，可产生x方向的径向力，同理B、C相可产生y、z方向上的径向力，三个方向的径向力合成转子悬浮所需任意方向的磁拉力。转子位于区间II内θ∈[15°，30°]， A相电感位于上升区，为保证对称励磁，需要斩波控制A相绕组与B、C相绕组电流幅值相同，避免发电阶段电流的不平衡导致悬浮力失稳；当转子位于区间III内θ∈[30°，45°]，A相作为发电相自然续流，其电感位于下降区，感应电动势释放磁场储能，转子凸极转矩为负，机械能转化为电能输出，与此同时相邻三相D、E、F作为悬浮相提供径向悬浮力；随着转子位置角的变化，励磁顺序依次为ABC-DEF-ABC，实现整个周期内悬浮发电平稳运行。
上述过程中，悬浮发电运行时，电机每相绕组电流独立控制，同一时刻只导通定子上互成120°分布且绕组电感处于平坦区和上升区的三相，控制绕组电流大小，吸引圆盘产生径向悬浮力Fx、Fy、Fz，圆盘悬浮于气隙磁场中，并为随后的发电阶段提供励磁；励磁阶段结束前采用斩波控制三相绕组保持电流幅值相同，励磁结束后绕组自然续流发电，通过转子制动转矩转化机械能并释放磁场储能；随后进入电感下降区续流发电，与此同时，其余三相绕组进入电感平坦区域重复上述控制过程，实现发电相与悬浮相之间功能转换，以此避免悬浮相与发电相电流耦合。
所述电机结构使得每相电感有1/2周期位于底部平坦区域，1/4位于上升区域，1/4位于下降区域。发电运行时，只导通几何结构上互成120°且电感处于平坦区和上升区的三相，每相独立控制产生悬浮力并为发电阶段绕组励磁，剩余处于电感下降区三相则续流发电。该新型发电机集径向磁轴承与开关磁阻电机于一体，转子极制动转矩大，发电出力多，悬浮相电流对发电相电流影响小，径向负载能力强。
本发明可根据电机径向负载能力和发电功率要求，合理设计圆盘与凸极转子轴向长度，也可联想设计同类型如8/4极混合转子等结构，以进一步满足悬浮发电性能要求，因而本发明对相似结构的磁悬浮开关磁阻发电机设计均具有示范和参考价值。
应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。