一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其控制方法，屬于磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是將磁軸承技術(shù)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)磁軸承與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)共用一套繞組，通過(guò)控制繞組電流使其同時(shí)具有自懸浮和電動(dòng)發(fā)電的能力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)軸承運(yùn)行。由于磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)上與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相似性，繼磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行研宄之后，拓展磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行模式已經(jīng)成為一個(gè)研宄的熱點(diǎn)。
[0003]傳統(tǒng)的磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁和發(fā)電過(guò)程是周期性分時(shí)控制的，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮力大小的實(shí)時(shí)跟蹤控制。文獻(xiàn)“三相串聯(lián)勵(lì)磁式無(wú)軸承開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電原理與實(shí)現(xiàn)”在雙繞組結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了相鄰三極串聯(lián)懸浮勵(lì)磁，一相四極串聯(lián)發(fā)電的懸浮發(fā)電的控制策略。但是勵(lì)磁繞組提供懸浮力的同時(shí)，要給相鄰三相發(fā)電繞組提供勵(lì)磁能量，多個(gè)定子極之間磁路耦合嚴(yán)重，發(fā)電電壓和懸浮力的數(shù)學(xué)模型難以建立，懸浮力與發(fā)電電壓解親控制效果有待提尚。
[0004]磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，發(fā)電原理類似于普通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，磁鏈隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化，電感下降區(qū)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)使得部分磁能釋放出來(lái)變?yōu)殡娔?。?2/8極開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為例，單向?qū)Ｊ较?，同一時(shí)刻僅有一相繞組電感位于下降區(qū)，轉(zhuǎn)子只有4極可產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率低，輸出功率密度有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種新型磁懸浮發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子集凸極轉(zhuǎn)子和盤形磁軸承于一體，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與懸浮力之間耦合小，控制算法簡(jiǎn)單，功率密度高。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，包括圓盤，定子凸極，轉(zhuǎn)子凸極，繞組，定子鐵心，氣隙；電機(jī)的轉(zhuǎn)子由圓盤與轉(zhuǎn)子凸極軸向疊加組成，圓盤提供徑向力，轉(zhuǎn)子凸極提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子鐵心徑向上等間隔分布6個(gè)轉(zhuǎn)子凸極，電機(jī)的定子包括定子凸極，繞組，定子鐵心，所述定子鐵心上等間隔分布12個(gè)定子凸極，所述轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極的極寬相同，每個(gè)定子凸極的定子齒上繞有一套繞組，定子上間隔60°兩個(gè)齒極上的繞組串聯(lián)作為一相，共6相。
[0008]進(jìn)一步，所述圓盤的軸向厚度與轉(zhuǎn)子凸極的軸向厚度之和為電機(jī)的軸向長(zhǎng)度，所述圓盤的直徑與轉(zhuǎn)子凸極外徑相同。
[0009]進(jìn)一步，所述氣隙介于電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間。
[0010]本發(fā)明的方法的技術(shù)方案為:
[0011]一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法，包括:
[0012]步驟3.1，在繞組電感處于平坦區(qū)和上升區(qū)的位置，向定子上互成120°分布的三對(duì)繞組通入電流進(jìn)行勵(lì)磁，分別控制每一對(duì)繞組的電流大小，吸引圓盤產(chǎn)生三個(gè)自由度方向上徑向懸浮力Fx、Fy、Fz;
[0013]步驟3.2，保持繞組持續(xù)勵(lì)磁直至發(fā)電階段開(kāi)始，繞組在電感最大位置處勵(lì)磁結(jié)束，勵(lì)磁結(jié)束前強(qiáng)迫控制繞組中的電流幅值相同，繞組電感進(jìn)入下降區(qū)開(kāi)始續(xù)流發(fā)電，勵(lì)磁結(jié)束同時(shí)導(dǎo)通定子上其余三對(duì)繞組，分別控制此三對(duì)繞組的電流大小，重復(fù)步驟3.1勵(lì)磁過(guò)程；
[0014]步驟3.3，根據(jù)步驟3.1、步驟3.2交替對(duì)定子上的6相繞組進(jìn)行換相勵(lì)磁，使得徑向懸浮力Fx、Fy、持圓盤懸浮于氣隙磁場(chǎng)中。
[0015]進(jìn)一步，所述繞組電感處于平坦區(qū)和上升區(qū)的位置時(shí)，繞組電流產(chǎn)生的磁鏈通過(guò)圓盤、定子凸極、定子鐵心形成閉合磁路；所述繞組電感進(jìn)入下降區(qū)時(shí)，繞組電流產(chǎn)生的磁鏈通過(guò)轉(zhuǎn)子凸極、定子凸極定子鐵心形成閉合磁路。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
[0017]I)定子極采用集中繞組，轉(zhuǎn)子極無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)清晰，功能明確。
[0018]2)混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圓盤和轉(zhuǎn)子凸極分別提供懸浮力和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)清晰，控制目標(biāo)明確。
[0019]3)懸浮力不隨轉(zhuǎn)子位置角周期變化，徑向力波動(dòng)小，徑向負(fù)載能力強(qiáng)。
[0020]4)所有轉(zhuǎn)子凸極同步產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩利用效率高，機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率高。
[0021]5)多相繞組同時(shí)勵(lì)磁，懸浮相發(fā)電相相互獨(dú)立，可連續(xù)輸出發(fā)電電壓，相對(duì)于傳統(tǒng)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)周期分時(shí)發(fā)電模式具有明顯優(yōu)勢(shì)。
[0022]6)本發(fā)明的方法能夠避免發(fā)電階段電流的不平衡導(dǎo)致懸浮力失穩(wěn)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與懸浮力之間耦合小，控制算法簡(jiǎn)單。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)二維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)三相懸浮繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)三相發(fā)電繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖5是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)一相電流變化以及自電感分布曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0029]如圖1、2所示，本發(fā)明所述混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，電機(jī)鐵心由凸極定子、凸極轉(zhuǎn)子和圓盤轉(zhuǎn)軸混合結(jié)構(gòu)組成；包括圓盤1，定子凸極2，轉(zhuǎn)子凸極3，繞組4，定子鐵心5，氣隙6。其中轉(zhuǎn)子由圓盤I與轉(zhuǎn)子凸極3軸向疊加組成；圓盤I提供徑向力，轉(zhuǎn)子凸極3提供制動(dòng)負(fù)轉(zhuǎn)矩。
[0030]本發(fā)明所述混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，定子凸極齒數(shù)為12，混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子凸極齒數(shù)為6，每相繞組由間隔60°的兩個(gè)繞組4串聯(lián)組成，每相均獨(dú)立控制。本發(fā)明轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，每個(gè)定子極繞有一套繞組4，定子上間隔60°兩個(gè)齒極上的繞組串聯(lián)作為一相，混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子凸極3的齒數(shù)為6，轉(zhuǎn)子凸極3與定子凸極2極寬相同；圓盤I與轉(zhuǎn)子凸極3軸向疊加且外徑與轉(zhuǎn)子凸極3外徑相同；轉(zhuǎn)子凸極3與圓盤I軸向長(zhǎng)度比例遵循實(shí)際懸浮力與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求。
[0031 ] 如圖3所示轉(zhuǎn)子凸極3轉(zhuǎn)過(guò)對(duì)齊位置時(shí)，懸浮相分布如圖所示，此時(shí)圓盤受到X、y、z三個(gè)方向上的徑向力，合成得到懸浮力；x方向的懸浮力由繞組電流ixl控制，其中i xl+為流入電流，ixl-為流出電流，控制ix電流大小即可控制X方向徑向力；同理，y方向的懸浮力由繞組電流iyl提供，其中i yl+為流入電流，i yl_為流出電流，z