本發明涉及磁懸浮電機技術領域，特別地，涉及一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機及解耦控制方法。

背景技術：

磁懸浮開關磁阻電機是通過改變開關磁阻電機原有的磁場分布，產生作用于轉子上的可控的懸浮力，從而將轉子懸浮于空間，可以在保留開關磁阻電機性能優點的基礎上，進一步消除機械軸承帶來的摩擦損耗，且無需潤滑裝置。它可以高速及超高速電動或發電運行，在工業、化工、生物以及軍工等諸多領域均具有廣闊的應用前景。以磁懸浮開關磁阻電機作為飛輪電機，可以有效縮小飛輪系統的體積和重量，尤其適用于飛輪慣量較小，但對系統體積和重量要求嚴格的場合。

根據每個定子凸極上的繞組套數，磁懸浮開關磁阻電機可以分為雙繞組結構和單繞組結構兩種形式。其中雙繞組磁懸浮開關磁阻電機是在原普通開關磁阻電機的定子凸極上增加一套懸浮力繞組，通過控制兩套繞組電流來改變電機的氣隙磁場分布，從而產生使轉子旋轉和自懸浮所需的轉矩和徑向懸浮力。單繞組磁懸浮開關磁阻電機則是在不改變原來開關磁阻電機結構的基礎上，通過合理控制每個定子凸極上的繞組電流大小，以產生轉矩和徑向懸浮力。單繞組磁懸浮開關磁阻電機未改變原開關磁阻電機的結構，更具有通用性和實用性，已經成為了目前該領域的研究熱點和發展趨勢。

根據轉子與定子的相對位置，磁懸浮開關磁阻電機可以分為傳統的內轉子結構和新型的外轉子結構兩種形式。其中外轉子磁懸浮開關磁阻電機的轉子安裝在定子外側，作為飛輪電機使用時，可以將電機轉子疊壓封裝在飛輪內側，電機轉子與飛輪合二為一，可以增強飛輪轉子強度，縮小整體體積，改善系統的動力特性和穩定性。但是磁懸浮開關磁阻電機的轉矩和懸浮力之間存在復雜的耦合關系，很難在控制策略和數學模型中實現二者的完全解耦，限制了電機性能的提高，已經成為了制約其進入工程應用的主要瓶頸。

例如：目前已有方案通過采用雙相導通方式，選擇電感較大的一相作為懸浮相以產生較大懸浮力，選擇電感較小的一相作為旋轉相以產生正轉矩。但是在該方案中，為了保證產生較大的懸浮力，需要將懸浮相的導通區間限制在電感較大的區域，懸浮相會產生較大的正負轉矩，引起轉矩波動，影響轉速控制效果，仍存在較大的相間耦合。

例如：目前也有方案通過改進轉子由轉矩轉子與懸浮力轉子軸向疊加組成，徑向承載力大；利用最小電感區實行懸浮控制，懸浮電流對轉矩電流的影響小，相間耦合作用小。但是復合轉子帶負載運行時，容易增加軸向長度，增大整機體積，影響了系統的機械強度，限制了臨界轉速的提高，不利于發揮磁懸浮電機的告訴適應性。

技術實現要素：

本發明的實施例提供了一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機及解耦控制方法，克服上述現有技術的不足，實現電動/發電功能與徑向懸浮功能的解耦控制，并增強飛輪轉子強度，縮小整機體積，改善系統的動力特性和穩定性，以進一步發揮磁懸浮開關磁阻電機的高速適應的特性。

為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案：

第一方面，本發明的實施例提供一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機，包括：外轉子鐵心(1)和定子鐵心(4)；所述外轉子鐵心(1)和定子鐵心(4)以同心方式依次嵌套；所述外轉子鐵心(1)由凸極轉子(2)和圓柱形轉子(3)軸向復合而成；所述凸極轉子(2)內壁上等間隔設置8個轉子凸極，每個轉子凸極上均無繞組；所述定子鐵心(4)外壁等間隔設置12個定子凸極(5)，每個定子凸極上繞有一套定子繞組(6)。定子繞組負責根據需要而產生電磁轉矩和徑向懸浮力。具體地，根據作用在混合外轉子上的轉矩、磁拉力與定子繞組電流的關系，通過合理控制繞組電流的大小，即可產生所需的電磁轉矩和徑向懸浮力。在本發明實施例中，凸極轉子(2)在定子繞組(6)作用下產生電磁轉矩，圓柱形轉子(3)在定子繞組(6)作用下產生徑向懸浮力。

結合第一方面，在第一方面的第一種可能的實現方式中，所述定子繞組(6)相互之間不串接，徑向相對的四個定子繞組構成一相，一共分為三相。

結合第一方面，在第一方面的第二種可能的實現方式中，所述定子凸極和所述轉子凸極的極寬均為15°。

第二方面，本發明的實施例提供一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機解耦控制方法，采用雙相導通解耦，在電機運行過程中，所述定子繞組(6)構成的三相中有兩相同時導通；所述導通的兩相，其中一相工作在懸浮勵磁區，另一相工作在轉矩勵磁區。

結合第二方面，在第二方面的第一種可能的實現方式中，所述懸浮勵磁區在每一相定子繞組(6)的最小相電感平底區，通過所述相內四極定子繞組(6)的不對稱勵磁，產生所需的徑向懸浮力；

所述轉矩勵磁區在每一相定子繞組(6)的相電感上升區或相電感下降區，通過所述相內四極定子繞組(6)的對稱勵磁，可分別產生正電磁轉矩或負電磁轉矩，實現電機電動或發電運行。

本發明實施例提供的一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機及解耦控制方法采用雙相導通解耦控制策略，能夠有效削弱電磁轉矩和徑向懸浮力的耦合，減少了控制器設計的難度；具有全轉子位置角的徑向懸浮能力，顯著提升徑向負載能力，改善徑向懸浮性能；將電機轉子疊壓封裝在飛輪內側，縮小整機體積，有利于改善系統的動力特性；繞組結構簡單，有利于提高繞組利用率。懸浮勵磁區內，繞組電感基本維持恒定，相應的運動電動勢近似為零，可以解決傳統磁懸浮開關磁阻電機在高速運行時懸浮電流不易跟蹤及斬波控制的問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機分解結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機的定子繞組示意圖；

圖4為本發明實施例所述一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機的定子繞組相電感關于轉子位置角的變化曲線示意圖；

圖5為本發明實施例所述一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機的雙相導通解耦控制運行區間示意圖。

具體實施方式

為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。

本領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

本發明的實施例提供了一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機及解耦控制方法，實現電動/發電功能與徑向懸浮功能的解耦控制，并增強飛輪轉子強度，縮小整機體積，改善系統的動力特性和穩定性，以進一步發揮磁懸浮開關磁阻電機的高速適應的特性。

為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案：

第一方面，本發明的實施例提供一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機，如圖1和圖2所示。圖1為本發明一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機結構示意圖，圖2是分解結構示意圖。如分解結構如圖2所示，包括：外轉子鐵心(1)和定子鐵心(4)；所述外轉子鐵心(1)和定子鐵心(4)以同心方式依次嵌套；所述外轉子鐵心(1)由凸極轉子(2)和圓柱形轉子(3)軸向復合而成；所述凸極轉子(2)內壁上等間隔設置8個轉子凸極，每個轉子凸極上均無繞組；所述定子鐵心(4)外壁等間隔設置12個定子凸極(5)，每個定子凸極上繞有一套定子繞組(6)。定子繞組負責根據需要而產生電磁轉矩和徑向懸浮力。在本發明實施例中，凸極轉子(2)在定子繞組(6)作用下產生電磁轉矩，圓柱形轉子(3)在定子繞組(6)作用下產生徑向懸浮力。

結合第一方面，在第一方面的第一種可能的實現方式中，如圖3所示，所述定子繞組(6)相互之間不串接，徑向相對的四個定子繞組構成一相，一共分為三相。具體地，如圖3所示，其中：A1、A2、A3、A4構成A相定子繞組，分別位于x和y軸的正、負方向；B1、B2、B3、B4構成B相定子繞組；C1、C2、C3、C4構成C相定子繞組。根據作用在混合外轉子上的轉矩、磁拉力與定子繞組電流的關系，通過合理控制繞組電流的大小，即可產生所需的電磁轉矩和徑向懸浮力。

結合第一方面，在第一方面的第二種可能的實現方式中，所述定子凸極和所述轉子凸極的極寬均為15°。

第二方面，本發明的實施例提供一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機解耦控制方法，采用雙相導通解耦，在電機運行過程中，所述定子繞組(6)構成的三相中有兩相同時導通；所述導通的兩相，其中一相工作在懸浮勵磁區，另一相工作在轉矩勵磁區。

如圖4所示，本發明所述一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機的定子繞組相電感關于轉子位置角的變化曲線示意圖，一個相電感周期為45°。定義外轉子齒槽中心與A相定子凸極齒重合處為轉子位置角θ的零度位置，轉速以順時針方向為正。在轉子旋轉過程中，當轉子后沿剛好與定子前沿重合時，θ＝-22.5°；當轉子前沿剛好與定子前沿重合時，θ＝22.5°。

當該飛輪電機運行于電動狀態時，定子繞組導通規則見表1，在-22.5°≤θ<-7.5°區間，以B相作為懸浮勵磁相，以C相作為轉矩勵磁相；在-7.5°≤θ<7.5°區間，以A相作為懸浮勵磁相，以B相作為轉矩勵磁相；在7.5°≤θ<22.5°區間，以C相作為懸浮勵磁相，以A相作為轉矩勵磁相。

表1：定義該飛輪電機電動運行時的定子繞組勵磁區間選擇

當該飛輪電機運行于發電狀態時，定子繞組導通規則見表2。在-22.5°≤θ<-7.5°區間，以B相作為懸浮勵磁相，以A相作為轉矩勵磁相；在-7.5°≤θ<7.5°區間，以A相作為懸浮勵磁相，以C相作為轉矩勵磁相；在7.5°≤θ<22.5°區間，以C相作為懸浮勵磁相，以B相作為轉矩勵磁相。

表2該飛輪電機發電運行時的定子繞組勵磁區間選擇

結合第二方面，在第二方面的第一種可能的實現方式中，所述懸浮勵磁區在每一相定子繞組(6)的最小相電感平底區，通過所述相內四極定子繞組(6)的不對稱勵磁，產生所需的徑向懸浮力；

所述轉矩勵磁區在每一相定子繞組(6)的相電感上升區或相電感下降區，通過所述相內四極定子繞組(6)的對稱勵磁，可分別產生正電磁轉矩或負電磁轉矩，實現電機電動或發電運行。

圖5為本發明實施例所述一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機的雙相導通解耦控制方法運行區間示意圖。本實施例采用雙相導通解耦控制方法，即在所述電機運行過程中的任何時刻均有兩相繞組同時導通，其中一相工作在懸浮勵磁區，另一相工作在轉矩勵磁區。對每一相繞組而言，以最小相電感平底區作為該相的懸浮勵磁區，通過不對稱勵磁后產生徑向懸浮力；以相電感上升區或下降區作為該相的轉矩勵磁區，通過對稱勵磁后分別產生正電磁轉矩或負電磁轉矩，實現電機電動或發電運行。

轉矩勵磁區負責轉矩輸出功能，該復合外轉子磁懸浮開關磁阻飛輪電機電動運行時，以相電感上升區作為轉矩勵磁區，通過對稱勵磁后分別產生正電磁轉矩，與飛輪實際轉向相同，帶動飛輪做加速運動，飛輪系統充電；該復合外轉子磁懸浮開關磁阻飛輪電機發電運行時，以相電感下降區作為轉矩勵磁區，通過對稱勵磁后分別產生負電磁轉矩，與飛輪實際轉向相反，帶動飛輪做減速運動，飛輪系統放電。

具體地，當該飛輪電機運行于電動狀態時，在-22.5°≤θ<-7.5°區間時以C相作為轉矩勵磁相，在-7.5°≤θ<7.5°區間時以B相作為轉矩勵磁相，在7.5°≤θ<22.5°區間時以A相作為轉矩勵磁相；反之，當該飛輪電機運行于發電狀態時，在-22.5°≤θ<-7.5°區間時以A相作為轉矩勵磁相，在-7.5°≤θ<7.5°區間時以C相作為轉矩勵磁相，在7.5°≤θ<22.5°區間時以B相作為轉矩勵磁相。

懸浮勵磁區負責徑向懸浮功能。以A相繞組為例，i_A1和i_A2分別為位于x、y軸正方向的定子繞組電流，i_A3和i_A4分別為x、y軸負方向的定子繞組電流。在A相繞組電感最小的平底區通過i_A1、i_A2、i_A3和i_a4的不對稱勵磁，產生轉子懸浮所需的徑向力。具體地，i_A1導通時產生沿x軸正方向的懸浮力，i_A3導通時產生沿x軸負方向的懸浮力；i_A2導通時，產生沿y軸正方向的懸浮力，i_A4導通時產生沿y軸負方向的懸浮力；通過控制x軸方向和y軸方向的懸浮力，即可合成任意方向的懸浮力，從而實現電機轉子自懸浮。同理，在B相繞組電感最小的平底區和C相繞組電感最小的平底區，也可以通過不對稱勵磁產生轉子懸浮所需的徑向力。

采用本發明實施例提供的一種磁懸浮開關磁阻飛輪電機及解耦控制方法有益效果是：

(1)有效削弱電磁轉矩和徑向懸浮力的耦合，減少了控制器設計的難度。

采用雙相導通解耦控制策略，懸浮勵磁區對應的相電感保持為最小值，勵磁后將產生正負對稱的電磁轉矩，且幅值遠小于轉矩勵磁區產生的電磁轉矩，因此懸浮勵磁區的平均電磁轉矩為零，且引起的轉矩波動很小。

(2)具有全轉子位置角的徑向懸浮能力，顯著提升徑向負載能力，改善徑向懸浮性能。

電機外轉子采用凸極轉子和圓柱形轉子軸向復合的結構，圓柱形轉子使得該飛輪電機具有全轉子位置角的徑向懸浮能力，克服了傳統磁懸浮開關磁阻電機在定轉子不對齊位置不能有效產生徑向懸浮力的弊端。同時，也增大了定子繞組的徑向電感分量，增強了徑向負載能力，有利于改善徑向懸浮性能。

(3)將電機轉子疊壓封裝在飛輪內側，縮小整機體積，有利于改善系統的動力特性。

混合外轉子結構的飛輪電機，可以將電機轉子疊壓封裝在飛輪內側，使電機轉子與飛輪合二為一，可以增強飛輪轉子強度，縮小整機體積，有利于增強系統的穩定性，改善系統的動力特性。

(4)繞組結構簡單，有利于提高繞組利用率。

定子上僅有一套集中繞組，根據作用在混合外轉子上的轉矩、磁拉力與定子繞組電流的關系，通過合理控制繞組電流的大小，即可產生所需的電磁轉矩和徑向懸浮力。電機結構與開關磁阻電機的主體結構類似，更具有通用性和實用性。

(5)懸浮勵磁區內，繞組電感基本維持恒定，相應的運動電動勢近似為零，可以解決傳統磁懸浮開關磁阻電機在高速運行時懸浮電流不易跟蹤及斬波控制的問題。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。