CN108258956B - 一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法。所述发电机为三相电机，定子有12个齿极，定子齿极极弧为15°机械角，每个定子齿极上仅有一套线圈，且各线圈电流均为独立控制；转子有8个齿极，转子极弧为30°机械角，转子齿极上没有线圈；所述控制方法将线圈电流不超过额定电流并保持电流单向性作为附加条件，求取悬浮相绕组偏置电流I _b的有效取值范围，并在该范围内求取最优解，使悬浮相绕组磁能最小；通过检测负载电压以及PI调节器输出信号i _g ^*，作为发电相定子齿极线圈的参考电流值。本发明方法实现了电机悬浮与发电的解耦控制，减少发电系统中励磁电源的能量消耗，提高发电效率，并抑制发电相绕组电流产生的悬浮扰动。

Description

一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法

技术领域：

本发明属于电机技术领域，涉及一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法。

背景技术：

无轴承开关磁阻电机是一种将磁悬浮与开关磁阻电机相结合的技术，电机结构简单、容错性强，并且省去了机械轴承的使用，便于维护，增加了电机使用寿命，在航空航天发电领域内具有应用前景。

在国内，南京航空航天大学成功研制了双绕组无轴承开关磁阻发电机，该发电机为三相电机，定子有12个齿，每个齿的极弧角为15°，每个定子齿极上有两个线圈；转子有8个齿，每个齿的极弧角为15°，转子齿极上没有绕组。每相定子齿极上的外线圈反向串联构成发电绕组，而四个定子齿极上的内线圈相互断开，各线圈电流独立控制，用以提供励磁磁场。在电机旋转过程中，定转子齿极重叠面积发生变化，进而改变发电绕组磁链大小，从而产生交流感应电动势，通过整流器，可向负载提供直流电。然而，在双绕组无轴承开关磁阻发电机中，因每个定子齿极上含有两个线圈，增加了铜的使用量。控制定子齿极内线圈电流时，不仅需要使得电机稳定悬浮，还要稳定负载电压，使得电机控制较为复杂。

他励式功率变化器常被应用于开关磁阻发电机系统中，励磁电源输入的电能将最终被返回给负载，这在一定程度上增加了励磁电源的能量消耗，降低了系统的发电效率。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提出一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法，所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机包括电机定子、电机转子和线圈；

所述电机定子采用凸极结构，有12个齿，每个齿的极弧角为15°；

所述电机转子采用凸极结构，有8个齿，每个齿的极弧角为30°；

所述线圈共有12个，每个线圈缠绕在电机定子齿上，彼此相互断开，各线圈电流均为独立控制；

所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机为三相制电机，每相绕组都由四个空间上相隔90°的定子齿上的线圈构成，每相绕组中的磁通呈NSNS分布；

每相所述绕组，当其各线圈电感随转子位置不变时，该相绕组用作悬浮绕组；当其各线圈电感随转子位置下降时，该相绕组用作发电绕组；当其各线圈电感随转子位置上升时，该相绕组不工作；

所述悬浮绕组，依据其四个线圈在空间中的位置建立直角坐标系，坐标轴分别称为X轴和Y轴；

所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法，其具体步骤如下：

步骤A，将给定电机转轴位移与实际电机转轴位移之差经过PID调节器，输出X轴与Y轴方向上的给定悬浮力F_X ^*、F_Y ^*；当F_X ^*大于零时，表示F_X ^*指向X轴正方向；当F_Y ^*大于零时，表示F_Y ^*指向Y轴正方向；

步骤B，求出参数I_b的取值范围(i_min,i_max)；

当|F_X ^*|≥|F_Y ^*|时，

和

当|F_Y ^*|≥|F_X ^*|时，

和

其中K是只与电机尺寸相关的常数，I_n是电机额定电流；

则：

如果

时，取

如果

取I_b＝i_min；

如果

取I_b＝i_max；

步骤C，获得悬浮绕组参考电流值；

根据公式

和

分别求出i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*和i_s4 ^*，i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*和i_s4 ^*分别表示悬浮绕组的X轴正向电流、Y轴正向电流、X轴负向电流和Y轴负向电流；

步骤D，将给定负载电压与实际负载电压之差经过PI调节器，获得所述发电绕组参考电流值i_g ^*；

步骤E，采用滞环控制，将悬浮绕组电流控制在悬浮绕组参考电流值，将发电绕组电流控制在发电绕组参考电流值。

本发明提出了一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法，采用本发明的技术方案，具有如下技术效果：

(1)本发明将定子极弧角设定为15°，转子极弧角设定为为30°，可以实现悬浮与发电解耦控制；

(2)本发明采用各个线圈电流均为独立控制的方法，使得电机控制更加灵活；

(3)本发明采用的单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法减少发电系统中励磁电源的能量消耗，提高发电效率。

附图说明

图1为单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机的三维结构示意图。

图2为A相绕组示意图。

图3为A相绕组电感示意图。

图4为A相绕组电流波形图。

图5为本发明一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法的框架图。

图6为A相绕组采用的功率变化器示意图。

在图1-图6中，1是电机定子，2是电机转子，3是绕组，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8为MOS功率管，其中T1、T3、T5、T7称为桥臂上管，T2、T4、T6、T8称为桥臂下管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8为续流二极管，C1、C2为稳压电容，u_s为励磁电源，R_L为电阻负载，x*、y*为水平方向与垂直方向上的给定位移，x、y为水平方向与垂直方向上的实际位移，U_L ^*为给定负载电压，U_L为实际负载电压，F_X ^*、F_Y ^*分别为水平方向与垂直方向上的给定悬浮力，i_g ^*为发电电流参考值，θ为转子位置角，I*为悬浮电流参考值与发电电流参考值的复合信号，I为悬浮电流电流实际值与发电电流实际值的复合信号。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法的技术方案进行详细说明：

如图1所示，单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机的三维结构示意图，其中，1是电机定子、2是电机转子、3是线圈；

所述电机定子由硅钢片叠压而成，采用凸极结构，有12个齿，每个齿的极弧角为15°；

所述电机转子由硅钢片叠压而成，采用凸极结构，有8个齿，每个齿的极弧角为30°；

所述线圈共有12个，每个线圈缠绕在电机定子齿上，彼此相互断开，各线圈电流均为独立控制；

所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机为三相制电机，每相绕组由四个空间上相隔90°定子齿上的线圈构成，每相绕组中的磁通呈NSNS分布。

如图2所示，A相绕组示意图，A相绕组由A1、A2、A3和A4定子齿极线圈构成，该四个线圈在空间上彼此相隔90°，且相互断开，各线圈电流均独立控制；依据A相绕组四个线圈在空间中的相对位置建立直角坐标系，坐标轴分别为X轴和Y轴，其中A1和A3定子齿极线圈分别位于X轴正方向和X轴负方向，A2和A4定子齿极线圈分别位于Y轴正方向和Y轴负方向；

如图3所示，A相绕组电感示意图，若以定转子齿极轴线重合位置为0°角，则在(-22.5°,-7.5°)内，绕组电感随转子位置上升，此时A相绕组不工作；在(-7.5°,7.5°)内，绕组电感随转子位置保持不变，A相绕组作为悬浮绕组工作；在(7.5°,22.5°)内，绕组电感随转子位置下降，A相绕组作为发电绕组工作。

如图4所示，A相绕组电流波形图，在(-7.5°,7.5°)内，A相绕组用作悬浮绕组，其A1、A2、A3和A4齿极线圈电流分别控制在i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*和i_s4 ^*；在(7.5°,22.5°)内，A相绕组四个线圈电流都控制在i_g ^*附近；在(-22.5°,-7.5°)内，A相绕组处于断路状态。

如图5所示，本发明一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法的框架图，利用电涡流传感器测出电机在水平方向与垂直方向上的实际位移，并将其与给定位移之差经过PID调节输出水平方向与垂直方向上的给定悬浮力F_X ^*、F_Y ^*；当|F_X ^*|≥|F_Y ^*|时，根据不等式

求出参数I_b的取值范围；当|F_Y ^*|≥|F_X ^*|时，根据不等式

求出参数I_b的取值范围，其中K是只与电机尺寸相关的常数，I_n是电机额定电流；令最终求出的I_b取值范围是(i_min,i_max)，则当

时，取

如果

取I_b＝i_min；如果

取I_b＝i_max。根据公式

求出i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*、i_s4 ^*，i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*和i_s4 ^*分别表示悬浮绕组的X轴正向电流、Y轴正向电流、X轴负向电流和Y轴负向电流；将给定负载电压与实际负载电压之差经过PI控制器输出信号i_g ^*，作为悬浮绕组四个线圈的参考电流。

如图6所示，A相绕组采用的功率变化器示意图，在(-22.5°,-7.5°)内，A相绕组不工作，各个桥臂的上下管同处于截止状态；在(-7.5°,7.5°)内，A相绕组作为悬浮绕组，如果各个线圈实际电流大于参考电流与滞环环宽之差，则桥臂上管截止，下管导通，否则桥臂上下管同时导通；在(7.5°,22.5°)内，A相绕组作为发电绕组，如果各线圈实际电流大于参考电流与滞环环宽之和，则桥臂上下管同时截止，否则上管截止，下管导通。

Claims (1)

1.一种单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法，所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机包括电机定子、电机转子和线圈；

所述电机定子采用凸极结构，有12个齿，每个齿的极弧角为15°；

所述电机转子采用凸极结构，有8个齿，每个齿的极弧角为30°；

所述线圈共有12个，每个线圈缠绕在电机定子齿上，彼此相互断开，各线圈电流均为独立控制；

所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机为三相制电机，每相绕组都由四个空间上相隔90°的定子齿上的线圈构成，每相绕组中的磁通呈NSNS分布；

每相所述绕组，当其各线圈电感随转子位置不变时，该相绕组用作悬浮绕组；当其各线圈电感随转子位置下降时，该相绕组用作发电绕组；当其各线圈电感随转子位置上升时，该相绕组不工作；

所述悬浮绕组，依据其四个线圈在空间中的位置建立直角坐标系，坐标轴分别称为X轴和Y轴；

所述单绕组宽转子齿结构无轴承开关磁阻发电机控制方法，其特征在于，其具体步骤如下：

步骤A，将给定电机转轴位移与实际电机转轴位移之差经过PID调节器，输出X轴与Y轴方向上的给定悬浮力F_X ^*、F_Y ^*；当F_X ^*大于零时，表示F_X ^*指向X轴正方向；当F_Y ^*大于零时，表示F_Y ^*指向Y轴正方向；

步骤B，求出参数I_b的取值范围(i_min,i_max)；

当|F_X ^*|≥|F_Y ^*|时，

和

当|F_Y ^*|≥|F_X ^*|时，

和

其中K是只与电机尺寸相关的常数，I_n是电机额定电流；

则：

如果

时，取

如果

取I_b＝i_min；

如果

取I_b＝i_max；

步骤C，获得悬浮绕组参考电流值；

根据公式

和

分别求出i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*和i_s4 ^*；i_s1 ^*、i_s2 ^*、i_s3 ^*和i_s4 ^*分别表示悬浮绕组的X轴正向电流、Y轴正向电流、X轴负向电流和Y轴负向电流；

步骤D，将给定负载电压与实际负载电压之差经过PI调节器，获得所述发电绕组参考电流值i_g ^*；

步骤E，采用滞环控制，将悬浮绕组电流控制在悬浮绕组参考电流值，将发电绕组电流控制在发电绕组参考电流值。

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