一種12/6極混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機及其控制方法，屬于磁懸浮開關磁阻發電機領域。
【背景技術】
[0002]磁懸浮開關磁阻電機是將磁軸承技術與開關磁阻電機相結合，實現磁軸承與開關磁阻電機共用一套繞組，通過控制繞組電流使其同時具有自懸浮和電動發電的能力，實現電機的無軸承運行。由于磁懸浮開關磁阻電機結構上與開關磁阻電機的相似性，繼磁懸浮開關磁阻電機電動運行研宄之后，拓展磁懸浮開關磁阻電機發電運行模式已經成為一個研宄的熱點。
[0003]傳統的磁懸浮開關磁阻發電機，其勵磁和發電過程是周期性分時控制的，難以實現對懸浮力大小的實時跟蹤控制。文獻“三相串聯勵磁式無軸承開關磁阻電機發電原理與實現”在雙繞組結構基礎上提出了相鄰三極串聯懸浮勵磁，一相四極串聯發電的懸浮發電的控制策略。但是勵磁繞組提供懸浮力的同時，要給相鄰三相發電繞組提供勵磁能量，多個定子極之間磁路耦合嚴重，發電電壓和懸浮力的數學模型難以建立，懸浮力與發電電壓解親控制效果有待提尚。
[0004]磁懸浮開關磁阻發電機，發電原理類似于普通開關磁阻電機，磁鏈隨轉子的旋轉發生變化，電感下降區運動電動勢使得部分磁能釋放出來變為電能。以12/8極開關磁阻發電機為例，單向導通模式下，同一時刻僅有一相繞組電感位于下降區，轉子只有4極可產生制動轉矩，機械能轉化效率低，輸出功率密度有待提高。

【發明內容】

[0005]本發明提出一種新型磁懸浮發電機，轉子集凸極轉子和盤形磁軸承于一體，制動轉矩與懸浮力之間耦合小，控制算法簡單，功率密度高。
[0006]本發明采用的技術方案如下:
[0007]一種12/6極混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機，包括圓盤，定子凸極，轉子凸極，繞組，定子鐵心，氣隙；電機的轉子由圓盤與轉子凸極軸向疊加組成，圓盤提供徑向力，轉子凸極提供制動轉矩，轉子鐵心徑向上等間隔分布6個轉子凸極，電機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個定子凸極，所述轉子凸極與定子凸極的極寬相同，每個定子凸極的定子齒上繞有一套繞組，定子上間隔60°兩個齒極上的繞組串聯作為一相，共6相。
[0008]進一步，所述圓盤的軸向厚度與轉子凸極的軸向厚度之和為電機的軸向長度，所述圓盤的直徑與轉子凸極外徑相同。
[0009]進一步，所述氣隙介于電機定子和轉子之間。
[0010]本發明的方法的技術方案為:
[0011]一種12/6極混合轉子結構磁懸浮開關磁阻電機的控制方法，包括:
[0012]步驟3.1，在繞組電感處于平坦區和上升區的位置，向定子上互成120°分布的三對繞組通入電流進行勵磁，分別控制每一對繞組的電流大小，吸引圓盤產生三個自由度方向上徑向懸浮力Fx、Fy、Fz;
[0013]步驟3.2，保持繞組持續勵磁直至發電階段開始，繞組在電感最大位置處勵磁結束，勵磁結束前強迫控制繞組中的電流幅值相同，繞組電感進入下降區開始續流發電，勵磁結束同時導通定子上其余三對繞組，分別控制此三對繞組的電流大小，重復步驟3.1勵磁過程；
[0014]步驟3.3，根據步驟3.1、步驟3.2交替對定子上的6相繞組進行換相勵磁，使得徑向懸浮力Fx、Fy、持圓盤懸浮于氣隙磁場中。
[0015]進一步，所述繞組電感處于平坦區和上升區的位置時，繞組電流產生的磁鏈通過圓盤、定子凸極、定子鐵心形成閉合磁路；所述繞組電感進入下降區時，繞組電流產生的磁鏈通過轉子凸極、定子凸極定子鐵心形成閉合磁路。
[0016]本發明的有益效果:
[0017]I)定子極采用集中繞組，轉子極無繞組，結構清晰，功能明確。
[0018]2)混合轉子結構圓盤和轉子凸極分別提供懸浮力和制動轉矩，結構清晰，控制目標明確。
[0019]3)懸浮力不隨轉子位置角周期變化，徑向力波動小，徑向負載能力強。
[0020]4)所有轉子凸極同步產生制動轉矩，制動轉矩利用效率高，機械能的轉化效率高。
[0021]5)多相繞組同時勵磁，懸浮相發電相相互獨立，可連續輸出發電電壓，相對于傳統磁懸浮開關磁阻電機周期分時發電模式具有明顯優勢。
[0022]6)本發明的方法能夠避免發電階段電流的不平衡導致懸浮力失穩，制動轉矩與懸浮力之間耦合小，控制算法簡單。
【附圖說明】
[0023]圖1是混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機二維結構示意圖。
[0024]圖2是混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機三維結構示意圖。
[0025]圖3是混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機三相懸浮繞組結構示意圖。
[0026]圖4是混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機三相發電繞組結構示意圖。
[0027]圖5是混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機一相電流變化以及自電感分布曲線。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0029]如圖1、2所示，本發明所述混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機，電機鐵心由凸極定子、凸極轉子和圓盤轉軸混合結構組成；包括圓盤1，定子凸極2，轉子凸極3，繞組4，定子鐵心5，氣隙6。其中轉子由圓盤I與轉子凸極3軸向疊加組成；圓盤I提供徑向力，轉子凸極3提供制動負轉矩。
[0030]本發明所述混合轉子結構磁懸浮開關磁阻發電機，定子凸極齒數為12，混合結構轉子凸極齒數為6，每相繞組由間隔60°的兩個繞組4串聯組成，每相均獨立控制。本發明轉子無繞組，每個定子極繞有一套繞組4，定子上間隔60°兩個齒極上的繞組串聯作為一相，混合結構轉子凸極3的齒數為6，轉子凸極3與定子凸極2極寬相同；圓盤I與轉子凸極3軸向疊加且外徑與轉子凸極3外徑相同；轉子凸極3與圓盤I軸向長度比例遵循實際懸浮力與制動轉矩要求。
[0031 ] 如圖3所示轉子凸極3轉過對齊位置時，懸浮相分布如圖所示，此時圓盤受到X、y、z三個方向上的徑向力，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