本發明屬于開關磁阻電機技術領域，特別涉及了一種直線旋轉開關磁阻電機。

背景技術：

傳統單自由度電機僅實現一種形式的運動，如旋轉運動或直線運動。而在一些特定應用場合，如機器人控制、工業生產、艦船推進、火炮轉臺、航天飛行器等，需要驅動系統具有產生多維運動的能力。基于該需求的解決方案之一是通過機械傳動機構將多臺單自由度電機組合，從而實現多維驅動功能。然而該方法不僅導致系統體積和重量較大，且各傳動機構的間隙降低了系統的控制精度。因此，具有兩自由度驅動功能的直線旋轉電機應運而生。直線旋轉電機不僅可在電機周向上實現旋轉運動，而且可在電機軸向實現直線運動，故其具有兩個運動自由度——軸向直線運動和周向旋轉運動。由于將直線運動和旋轉運動功能集成于一體，因而直線旋轉電機具有結構緊湊、控制精度高、動態響應快、系統可靠性好等優點。

開關磁阻電機具有結構簡單、工作可靠、低成本、耐高溫、高容錯性和高速適應性等特點，在航空航天、軍事、民用等領域得到了廣泛地應用。

目前基于開關磁阻電機式的直線旋轉電機研究主要基于兩種思路：一種是采用簡單緊湊的本體結構，另一種是采用簡便靈活的直線和旋轉運動控制算法。從已公開報道的研究來看，目前這兩種研究思路各有優缺點。基于第一種思路的lrsrm結構簡單，但同一定子繞組既要控制產生旋轉運動所需的轉矩，又要控制產生直線運動所需的軸向力，因而直線和旋轉運動控制的耦合度較高，需要專門設計較為復雜的解耦控制算法。基于第二種思路的lrsrm雖然可將直線運動和旋轉運動分別由不同的定子繞組來獨立控制，然而會引入更多的定子繞組及相應的硬件控制器，不僅增加了電機的軸向長度，而且使得系統更為龐大繁雜。

技術實現要素：

為了解決上述背景技術提出的技術問題，本發明旨在一種直線旋轉開關磁阻電機及其控制方法，簡化電機控制方法，縮短電機軸向長度。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：

一種直線旋轉開關磁阻電機，包括1個轉子鐵心和2個定子鐵心，2個定子鐵心沿電機轉軸方向并列排布；2個定子的齒極上安裝有一套轉矩繞組和一套軸向力繞組，所述轉矩繞組橫跨于2個定子的齒極上，用于控制轉矩，所述軸向力繞組先與轉矩繞組同向繞設在其中一個定子的齒極上，然后再反向繞設在另一個定子的齒極上，用于控制軸向力；轉矩繞組上的電流單方向流通，軸向力繞組上的電流雙向流通。

基于上述技術方案的優選方案，所述轉矩繞組和軸向力繞組均為集中式繞組。

基于上述技術方案的優選方案，所述轉矩繞組的功率變換器采用不對稱半橋結構的電路拓撲。

基于上述技術方案的優選方案，所述軸向力繞組的功率變換器采用h橋或三相四橋臂結構的電路拓撲。

本發明還提出了基于上述直線旋轉開關磁阻電機的控制方法，綜合轉矩和軸向力的控制目標，設置軸向力繞組導通區間為θ∈[30°，60°]，稱為軸向力區間，設置轉矩繞組導通區間為θ∈[0°，60°]，由于在一個相導通周期內給定軸向力保持恒定，因此在軸向力區間內，通過控制轉矩繞組和軸向力繞組的電流均關于θ＝45°的位置對稱分布，使電機在軸向力區間內產生的平均轉矩為零；而在θ∈[0°，30°]內，由于軸向力繞組不導通電流，因而當前相不產生軸向力，全部產生轉矩，稱為轉矩區間，通過調節轉矩區間內的當前相轉矩繞組電流來主動控制電機轉矩；其中θ為轉子轉角。

采用上述技術方案帶來的有益效果：

本發明為了實現電機周向上的旋轉運動和軸向上的直線運動，同時采用徑向雙繞組結構，有利于繞組的優化設計，有助于兩套繞組功率電路的功能化設計，同時能夠簡化控制方法，并有效縮短直線旋轉開關磁阻電機兩自由度系統的軸向長度，使得結構更加緊湊，提高系統功率密度。

附圖說明

圖1是本發明設計的電機外觀圖；

圖2是本發明設計的電機內部圖；

圖3是本發明設計的電機繞組分布示意圖，包括(a)、(b)兩幅圖，分別為定子1和定子2到的繞組分布示意圖；

圖4為本發明設計的電機繞組示意圖；

圖5為三相繞組電感分布及電流導通區間示意圖；

圖6為轉矩與軸向力協調控制方法控制框圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。

一種直線旋轉開關磁阻電機，其結構如圖1、圖2所示，由兩個定子鐵心和一個轉子鐵心組成，繞組分布如圖3、4所示，每個定子齒上均繞有兩套繞組，其中一套繞組橫跨在兩個定子齒上，主要用于控制轉矩，稱為轉矩繞組；另外一套繞組先與轉矩繞組同向繞制安裝在定子1齒極上，然后再反向繞制安裝在定子2齒極上，主要用于控制軸向力，稱為軸向力繞組。

該直線旋轉開關磁阻電機(以6/4極為例)的控制方法說明如下：

定子繞組的控制器和電流導通方式：轉矩繞組電流單方向導通，因此可選擇不對稱半橋電路作為轉矩繞組功率變換器的電路拓撲；兩定子同相軸向力繞組反向串聯，電流雙向導通，因此可選擇h橋電路或三相四橋臂電路作為軸向力繞組功率變換器的電路拓撲。

圖5為lrsrm三相繞組電感分布及電流導通區間示意圖，其中橫坐標為a相的轉子轉角位置θ，iat、ibt、ict分別表示三相轉矩繞組電流，iaf、ibf、icf分別表示三相軸向力繞組電流。以a相為例，設置轉矩繞組導通區間為θ∈[0°，60°]，設置軸向力繞組導通區間為θ∈[30°，60°]，稱為軸向力區間。由于在一個相導通周期內給定軸向力通常保持恒定，因此在θ∈[30°，60°]內，可控制轉矩繞組和軸向力繞組的電流均關于θ＝45°的位置對稱分布，即電機產生的轉矩關于θ＝45°正負對稱，因此電機在軸向力區間θ∈[30°，60°]內產生的平均轉矩為零。而在θ∈[0°，30°]內，由于軸向力繞組不導通電流，因而a相不產生軸向力(此時電機軸向力由前一勵磁相b相提供)，全部產生轉矩，稱為轉矩區間。因此電機轉矩可通過調節該區間內的a相轉矩繞組電流來進行主動控制。

圖6為lrsrm轉矩與軸向力協調控制方法控制框圖，其中it1*和it2*分別代表在轉矩區間和軸向力區間的轉矩繞組電流給定值，if*代表軸向力繞組電流給定值。在轉矩區間內，轉矩繞組電流給定值由轉速環調節得到；在軸向力區間內，轉矩繞組和軸向力繞組電流給定值可基于軸向力模型，通過位置閉環pid調節出的軸向力fz*給定值計算得到。由于軸向力區間內的兩個繞組電流均為未知量，而僅有一個軸向力方程，因而必須設定一個約束方程來求解出兩個未知電流。因此，可根據不同的優化目標來建立該約束方程，比如最小銅損、最小磁勢等。若為簡化計算需要，也可直接將轉速環調節出的it1*作為軸向力解算模型的輸入值，從而直接計算出if*。最后，在得到兩套繞組電流給定值后，通過采用電流滯環控制方法，使轉矩繞組和軸向力繞組的功率變換器實時跟蹤電流給定值，從而產生系統所需的轉矩和軸向力，最終實現旋轉速度和直線位置的閉環控制。在轉矩區間內，轉矩繞組電流仍可采用傳統srm控制的其他兩種方法，即pwm控制和角度位置控制方法。

以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。