無軸承開關磁阻起動發電機及控制方法
2023-05-12 06:34:56 2
專利名稱：無軸承開關磁阻起動發電機及控制方法
技術領域：
本發明的無軸承開關磁阻起動發電機及控制方法，屬電機類的開關磁阻起動發電機。
背景技術：
目前的開關磁阻起動發電機結構簡單、堅固、成本低、工作可靠、控制靈活、運行效率高、容錯能力強，具有高溫和高速適應性等優點。但轉子高速運行引起的機械軸承磨損加劇，縮短了軸承和電機的使用壽命，也增加了電機和軸承維護的負擔。由於開關磁阻電機定轉子雙凸極結構，導致電機的轉矩脈動和電磁噪聲，也使開關磁阻電機的應用範圍受到限制。
發明內容
1.本發明的目的在於將無軸承技術應用於開關磁阻起動發電機中。克服上述現有技術的不足，提高電機和系統的可靠性，並實現開關磁阻電機的減振降噪的目的。
本發明的無軸承開關磁阻起動發電機，包括定子，轉子，轉子上無繞組，其特點是，定子上套有集中轉矩繞組和懸浮繞組。在本起動發電機的控制系統中，轉矩繞組功率變換器採用三相不對稱半橋拓撲電路結構，懸浮繞組功率變換器採用三相四橋臂拓撲電路結構。所述三相不對稱半橋拓撲電路的組成是，三相中的每一相均是，與電源正極相連的功率開關管連於一相轉矩繞組後再連於另一個與電源負極相連的功率開關管與電源構成迴路，在每一相轉矩繞組正端連接點與電源負極之間連接一個反相二極體，在每一相轉矩繞組負端連接點與電源正極之間也連接一個反相二極體。所述三相四橋臂拓撲電路的組成是三相四橋臂的每個橋臂均由二個功率開關管串聯後接在電源正負兩端，各個橋臂的功率開關管均反向並聯一個二極體，第2,3,4三橋臂的二個功率開關管的串聯點各自依次連於A、B、C三相懸浮繞組的正端，而第1橋臂的二個功率開關管的串聯點均連於A、B、C三相懸浮繞組負端。
轉矩繞組電流的控制方法可採用傳統的電流斬波控制方法(CCC)、角度位置控制方法(APC)、脈寬調製控制方法(PWM)。
根據轉矩繞組上述三種電流控制方法，相應地採用以下四種懸浮繞組的懸浮控制方法①CCC方法下，三相轉矩繞組每隔15度輪流勵磁導通，由勵磁相懸浮繞組通以電流產生懸浮力。一次採樣轉矩電流值，計算給定懸浮電流。②CCC方法下，三相轉矩繞組每隔15度輪流勵磁導通。在勵磁階段定時採樣/刷新轉矩電流值，動態計算給定懸浮電流值，通過懸浮電流控制器跟蹤給定懸浮電流值，以產生適當的懸浮力。③APC方法下，定時採樣/刷新勵磁相轉矩電流值直到下一勵磁相開始勵磁導通為止，當下一相勵磁導通時，再定時採樣/刷新此相的轉矩電流，如此循環往復。根據採樣的轉矩電流值，計算給定懸浮電流值，通過懸浮電流控制器跟蹤給定懸浮電流值，以產生適當的懸浮力。④PWM方法下，三相轉矩繞組每隔15度輪流勵磁導通。在勵磁階段定時採樣/刷新轉矩電流值，計算給定懸浮電流值，通過懸浮電流控制器跟蹤給定懸浮電流值，以產生適當的懸浮力。
本發明與現有技術相比，結構更緊湊，體積小，重量輕，減少了現有技術中的機械磨損，提高了可靠性和高速適應性，增長了使用壽命，降低了電機噪聲和轉矩脈動。
四
圖1是無軸承開關磁阻起動發電機結構示意圖。
圖1中標號名稱1.定子，2.轉子，3.轉矩繞組，4.懸浮繞組。
圖2無軸承開關磁阻起動發電機繞組繞線連接示意圖。
圖2中文字名稱Aα、Bα、Cα分別是A相、B相、C相α方向的懸浮繞組，Aβ、Bβ、Cβ分別是A相、B相、C相β方向的懸浮繞組。Am、Bm、Cm分別是A相、B相、C相的轉矩繞組。
圖3是無軸承開關磁阻起動發電機徑向力產生的原理圖。
圖3中符號名稱Nma是轉矩繞組，Nsa1與Nsa2是懸浮繞組；圖3中的右圖是懸浮力F的矢量圖，α表示水平方向，β表示垂直方向。
圖4是轉矩繞組功率變換器的三相不對稱半橋拓撲電路原理圖。
圖4中符號名稱Cm是電容，T1~T6是功率開關管，D1~D6是二極體，A、B、C分別是A、B、C三相轉矩繞組。
圖5是懸浮繞組功率變換器三相四橋臂拓撲電路原理圖。
圖5中符號名稱Us是電源電壓，C是電容，T1~T8是功率開關管，D1~D8時二極體，As、Bs、Cs分別是A、B、C三相懸浮繞組。
五具體實施例方式
圖1所示的無軸承開關磁阻起動發電機結構示意圖是12/8結構的無軸承開關磁阻電機的截面示意圖。本發明的電機包括定子1，無繞組的轉子2，其特點是定子1齒上同時嵌有集中轉矩繞組3和懸浮繞組4，轉矩繞組的功率變換器採用三相不對稱半橋拓撲電路結構，懸浮繞組的功率變換器採用三相四橋臂拓撲電路結構。圖2所示的是12/8結構的無軸承開關磁阻起動發電機轉矩繞組與懸浮繞組的連接示意圖。圖4中A相轉矩繞組Am，由Am進依次將A相的四個轉矩繞組互相串聯起來至Am出，同理，B相轉矩繞組Bm，由Bm進依次將B相的四個轉矩繞組互相串聯起來至Bm出，C相轉矩繞組Cm，由Cm進依次將C相的四個轉矩繞組互相串聯起來至Cm出。懸浮繞組的連接關係是A相α方向的懸浮繞組Aα，由Aα進依次將A相α方向的兩個懸浮繞組相互串聯起來至Aα出，B相α方向的懸浮繞組Bα，由Bα進依次將B相α方向的兩個懸浮繞組相互串聯起來至Bα出，C相α方向的懸浮繞組Cα，由Cα進依次將C相α方向的兩個懸浮繞組相互串聯起來至Cα出；A相β方向的懸浮繞組Aβ，由Aβ進依次將A相β方向的兩個懸浮繞組相互串聯起來至Aβ出，B相β方向的懸浮繞組Bβ，由Bβ進依次將B相β方向的兩個懸浮繞組相互串聯起來至Bβ出，C相β方向的懸浮繞組Cβ，由Cβ進依次將C相β方向的兩個懸浮繞組相互串聯起來至Cβ出。
本無軸承開關磁阻起動發電機的基本工作原理是，轉矩繞組作起動發電功能，懸浮繞組產生的磁場與轉矩繞組產生的偏置磁場疊加使通電的相對定子極兩側氣隙磁感應強度不均勻，從而產生單邊的磁拉力，通過調節懸浮電流的大小改變懸浮力使轉子穩定懸浮。
圖3所示的無軸承開關磁阻起動發電機徑向力產生的原理圖是一個12/8結構無軸承開關磁阻電機的截面圖，圖中簡要畫出了電機定子一相繞組A相的示意圖。A相繞組由三套線圈組成，分別為轉矩繞組Nma、懸浮繞組Nsa1和懸浮繞組Nsa2。轉矩繞組Nma由四段線圈串聯繞在相對的四個定子齒上。懸浮繞組Nsa1由兩段線圈串聯繞在兩個相對的定子齒上，Nsa2結構類似Nsa1。當轉矩繞組Nma通以圖示方向的電流後，產生實線所示的四極磁通，在轉子不偏心的情況下，氣隙1處和氣隙2處的磁通密度相同；此時給懸浮繞組Nsa1通以圖示方向的電流，產生虛線所示的兩極磁通，氣隙1處轉矩繞組和懸浮繞組產生的磁場方向相同，氣隙磁密增強，而氣隙2處轉矩繞組和懸浮繞組產生的磁場方向相反，氣隙磁密減弱，結果導致氣隙1處的磁密大於氣隙2處的磁密，因而轉子受到向右的偏心磁拉力向右運動。當改變懸浮繞組Nsa1中的電流方向時，轉子將受到向左的力而向左運動。β方向的力由轉矩繞組和懸浮繞組Nsa2中的電流作用來產生，由此任何方向的懸浮力可以由α方向和β方向的懸浮力合成來產生。
α方向的懸浮力Fα和β方向的懸浮力Fβ可以下公式表示Fα＝Kf(θ)imais1Fβ＝Kf(θ)imais2轉矩Ta的表達式Ta＝Ji(θ)(2Nm2ima2+Nb2is12+Nb2is22)從以上懸浮力和轉矩的表達式來看，轉矩大小隻與電流大小有關，而與電流流向無關。要調節懸浮力和轉矩的大小，可通過調節主繞組和懸浮繞組電流大小來實現。所以功率逆變器應該是電流型的。要調節懸浮力的方向，有以下三種組合方式a.保持主繞組電流流向不變，調節懸浮繞組電流流向來調節懸浮力方向；b.保持懸浮繞組電流流向不變，調節主繞組電流流向來調節懸浮力方向；c.同時調節主繞組和懸浮繞組電流流向來調節懸浮力方向。
從以上三種控制方案來看，顯然c方案最複雜，兩種繞組電流的流向和大小都要可控，可以舍掉。而在b方案中，由於電機定子四個凸極上的轉矩繞組是串聯在一起的，當改變一個方向(α)上的轉矩繞組電流流向時，勢必會改變另外一個方向(β)上的轉矩繞組電流流向，這樣一來會使兩個方向上的力方向同時改變，給控制帶來很大的不便。而在方案a中，只調節懸浮繞組(如α)電流流向，就可改變同方向上的力(Fα)的方向而不影響另外一個方向(β)上力(Fβ)的方向，這樣可以很方便地調節兩個方向上力的大小和方向。
上述可知，轉矩繞組對功率逆變器的基本要求是能提供大小可調，方向可固定的電流。懸浮繞組對功率逆變器的基本要求是能提供大小可調，方向也可調的電流。
因此，轉矩繞組電流大小變化，方向不變，與開關磁阻電機繞組中的電流特點相似，所以選用三相不對稱半橋拓撲作為轉矩繞組的功率逆變器電路。此拓撲各相獨立，控制簡單，具有容錯能力。懸浮繞組功率變換器的要求是提供大小和方向均可調的電流，三相四橋臂拓撲能很好的滿足此要求，且由於其用公共橋臂的兩個開關管代替三相半橋拓撲的兩個分裂電容，避免了懸浮電路極限負載情況下出現的分裂電容中點電壓漂移問題。
轉矩繞組的功率變換器所採用的三相不對稱半橋拓撲電路原理圖如圖4所示。如A相的連接關係是，由電源正極依次連於功率開關管T1，A相轉矩繞組A，功率開關管T2至電源負極與電源構成迴路，在轉矩繞組A正端與功率開關管T2的輸出端之間並聯一個反向二極體D2，在功率開關管T1輸入端與轉矩繞組負端之間並聯一個反向二極體D1。B相和C相的電路連接關係與A相一樣，不再重述。
懸浮繞組的功率變換器所採用的三相四橋臂拓撲原理圖如圖5所示。即每個橋臂均由兩個功率開關管T1與T2、T3與T4、T5與T6、T7與T8串聯，四路串聯電路均並聯在電源正、負極上，上述每個功率開關管均並聯一個二極體。上述第2、3、4三個串聯電路的兩個功率開關管的串聯點各自與A相、B相、C相的懸浮繞組As、Bs、Cs的正極相連；A相、B相、C相的懸浮繞組As、Bs、Cs的負端連於第1串聯路的兩個功率開關管T1與T2的串聯點。
轉矩繞組電流控制方法和懸浮繞組懸浮控制方法懸浮控制方法基於轉矩電流的控制方法確定。其最終目的是計算出懸浮繞組給定電流，懸浮繞組控制器跟蹤給定懸浮電流值，實現懸浮。其中，懸浮力與轉矩電流、懸浮電流的關係有如下公式F＝Kf(θ)imis其中，θ是轉子位置角，Kf(θ)是轉子位置角和電機參數的函數，im是轉矩電流值，is是懸浮電流值。
1.電流斬波控制方法(CCC)通過輸出電壓誤差信號調節電流斬波限Imax控制主開關通斷，從而實現對輸出功率的控制。
懸浮控制方法①三相轉矩繞組每隔15度輪流勵磁導通，由勵磁相懸浮繞組通以電流產生懸浮力。由於轉矩繞組電流斬波控制，勵磁階段轉矩電流在Imax波動，可將Imax作為轉矩電流im代入上述公式，給定懸浮電流is值得以確定。此方法由於只需一次採樣/刷新轉矩電流，可大大縮短DSP數字控制時間，提高系統動態響應速度。②三相轉矩繞組每隔15度輪流勵磁導通。在勵磁階段定時採樣/刷新轉矩電流值，計算給定懸浮電流值，通過懸浮電流控制器跟蹤給定懸浮電流值，以產生適當的懸浮力。此方法由於在勵磁階段多次採樣/刷新轉矩電流值，佔用DSP資源較方法①大，故在電流斬波控制方法下，優先採用懸浮控制方法①。
2.角度位置控制方法(APC)通過調節開通角θon、關斷角θoff兩個控制參數來調節勵磁電流，實現對輸出電壓的控制。
懸浮控制方法由於開通角θon、關斷角θoff不固定，所以無法保證三相繞組每隔15度輪流勵磁導通，電流斬波控制方法下的兩種懸浮控制方法不再適用。在APC方法下，定時採樣/刷新勵磁相轉矩電流值直到下一勵磁相開始勵磁導通為止，當下一相勵磁導通時，再定時採樣/刷新此相的轉矩電流值，如此循環往復。根據採樣的轉矩電流值，計算給定懸浮電流值，通過懸浮電流控制器跟蹤給定懸浮電流值，以產生適當的懸浮力。
3.脈寬調製控制方法(PWM)在主開關控制信號上施加PWM調製信號，通過改變佔空比來調節勵磁電壓而實現對勵磁電流的控制，最終實現對輸出功率的控制。
懸浮控制方法三相轉矩繞組每隔15度輪流勵磁導通。在勵磁階段定時採樣/刷新轉矩電流值，計算給定懸浮電流值，通過懸浮電流控制器跟蹤給定懸浮電流值，以產生適當的懸浮力。
本發明將無軸承技術用於開關磁阻起動發電機不僅可以充分發揮其高速適應性，最主要的是有望使全電/多電飛機、艦艇等發動機性能得到全面提升2.發動機的軸向長度大幅度縮短，結構可更為緊湊，發動機的體積和重量可進一步減小；3.提高了發動機轉軸的臨界轉速，發動機的轉速和輸出功率即便在體積減小的情況下仍可較大程度的提高；4.為降低開關磁阻電機振動以及由此引發發動機的振動提供一種新的有效解決手段，為開關磁阻電機在航空起動發電機上的應用掃清主要障礙；5.無軸承開關磁阻起動發電機中的轉矩繞組和懸浮控制繞組從功能上均具備容錯能力，由於兩套繞組結構具有相似性，在特殊情況下兩套繞組功能可以相互切換，可進一步提高全電/多電發動機的冗餘度；6.由於釋放了相當的發動機空間，將為發動機內部的潤滑、冷卻和電氣管路的設計帶來諸多的便利，取消了發動機結構設計上諸多限制，從而為發動機整體性能優化創造了條件，促進全電/多電發動機性能的全面提升。
權利要求
1.一種無軸承開關磁阻起動發電機，包括定子(1)和無繞組的轉子(2)，其特徵在於，定子極上套裝有集中轉矩繞組(3)和懸浮繞組(4)，轉矩繞組功率變換器採用三相不對稱半橋拓撲電路，懸浮繞組功率變換器採用三相四橋臂拓撲電路。
2.根據權利要求1所述的無軸承開關磁阻起動發電機，其特徵在於，三相不對稱半橋拓撲電路的組成是，三相中的每一相均由電源正極依次連於一個開關功率管、轉矩繞組、另一個開關功率管至電源負極與電源構成迴路，在與電源正極相連的功率開關管輸入端與轉矩繞組負端之間並聯一個反向二極體，在轉矩繞組正端與電源負極相連的功率開關管的輸出端之間並聯一個反向二極體。
3.根據權利要求1或2所述的無軸承開關磁阻起動發電機，其特徵在於，三相四橋臂的每一個橋臂均由兩個功率開關管串聯後並接電源正、負兩端，每個橋臂的功率開關管均反向並聯一個二極體，第1個橋臂的兩個功率開關管的串聯點均分別連於A相、B相、C相的三個懸浮繞組的負端，而第2、3、4三個橋臂的兩個功率開關管的串聯點各自依次連於A相懸浮繞組、B相懸浮繞組、C相懸浮繞組的正端。
4.一種無軸承開關磁阻起動發電機的控制方法，其轉矩繞組電流控制方法分別採用電流斬波控制方法(CCC)、角度位置控制方法(APC)、脈寬調製控制方法(PWM)，其特徵在於，根據上述三種電流控制方法採用四種懸浮控制方法①CCC方法下，三相轉矩繞組每隔15度輪流勵磁導通，由勵磁相懸浮繞組通以電流產生懸浮力，一次採樣轉矩電流值，計算給定懸浮電流；②CCC方法下，三相轉矩繞組每隔15度輪流勵磁導通，在勵磁階段定時採樣/刷新轉矩電流值，計算給定懸浮電流值；③APC方法下，定時採樣/刷新勵磁相轉矩電流值直到下一勵磁相開始勵磁導通為止，當下一相勵磁導通時，再定時採樣/刷新此相的轉矩電流，如此循環往復，根據採樣的轉矩電流值，確定給定懸浮電流值；④PWM方法下，三相轉矩繞組每隔15度輪流勵磁導通，在勵磁階段定時採樣/刷新轉矩電流值，計算給定懸浮電流值。
全文摘要
一種無軸承開關磁阻起動發電機及控制方法，屬電機類的起動發電機，它包括定子(1)和無繞組的轉子(2)，定子上套裝有集中轉矩繞組(3)和懸浮繞組(4)，轉矩繞組實現起動發電功能，懸浮繞組產生的磁場通過與轉矩繞組產生的偏置磁場疊加產生可變的懸浮力，實現轉子的穩定懸浮。其控制方法是，轉矩繞組的電流控制方法採用電流斬波、角度位置和脈寬調製三種控制方法，綜合上述三種電流控制方法，採用四種懸浮控制方法，來計算給定懸浮電流值。本電機集電起動機、發電機和磁軸承的功能於一體，具有廣闊的應用前景，尤其在航空航天領域中更具有重要意義，為全電和多電發動機性能的全面提升創造了條件。
文檔編號H02K3/28GK1710782SQ20051004026
公開日2005年12月21日 申請日期2005年5月27日 優先權日2005年5月27日
發明者鄧智泉, 楊鋼, 曹鑫, 王曉琳 申請人:南京航空航天大學