本實用新型涉及磁懸浮電機技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機。

背景技術(shù)：

磁懸浮開關(guān)磁阻電機是通過改變開關(guān)磁阻電機原有的磁場分布，產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子上的可控的懸浮力，從而將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，可以在保留開關(guān)磁阻電機性能優(yōu)點的基礎(chǔ)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(fā)電運行，在工業(yè)、化工、生物以及軍工等諸多領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。以磁懸浮開關(guān)磁阻電機作為飛輪電機，可以有效縮小飛輪系統(tǒng)的體積和重量，尤其適用于飛輪慣量較小，但對系統(tǒng)體積和重量要求嚴格的場合。

根據(jù)每個定子凸極上的繞組套數(shù)，磁懸浮開關(guān)磁阻電機可以分為雙繞組結(jié)構(gòu)和單繞組結(jié)構(gòu)兩種形式。其中雙繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機是在原普通開關(guān)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(chǎn)生使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和自懸浮所需的轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力。單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機則是在不改變原來開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過合理控制每個定子凸極上的繞組電流大小，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力。單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機未改變原開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)，更具有通用性和實用性，已經(jīng)成為了目前該領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢。

根據(jù)轉(zhuǎn)子與定子的相對位置，磁懸浮開關(guān)磁阻電機可以分為傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和新型的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩種形式。其中外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子安裝在定子外側(cè)，作為飛輪電機使用時，可以將電機轉(zhuǎn)子疊壓封裝在飛輪內(nèi)側(cè)，電機轉(zhuǎn)子與飛輪合二為一，可以增強飛輪轉(zhuǎn)子強度，縮小整體體積，改善系統(tǒng)的動力特性和穩(wěn)定性。但是磁懸浮開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩和懸浮力之間存在復雜的耦合關(guān)系，很難在控制策略和數(shù)學模型中實現(xiàn)二者的完全解耦，限制了電機性能的提高，已經(jīng)成為了制約其進入工程應(yīng)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(chǎn)生較大懸浮力，選擇電感較小的一相作為旋轉(zhuǎn)相以產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩。但是在該方案中，為了保證產(chǎn)生較大的懸浮力，需要將懸浮相的導通區(qū)間限制在電感較大的區(qū)域，懸浮相會產(chǎn)生較大的正負轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)矩波動，影響轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子與懸浮力轉(zhuǎn)子軸向疊加組成，徑向承載力大；利用最小電感區(qū)實行懸浮控制，懸浮電流對轉(zhuǎn)矩電流的影響小，相間耦合作用小。但是復合轉(zhuǎn)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(tǒng)的機械強度，限制了臨界轉(zhuǎn)速的提高，不利于發(fā)揮磁懸浮電機的告訴適應(yīng)性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的實施例提供了一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)電動/發(fā)電功能與徑向懸浮功能的解耦控制，并增強飛輪轉(zhuǎn)子強度，縮小整機體積，改善系統(tǒng)的動力特性和穩(wěn)定性，以進一步發(fā)揮磁懸浮開關(guān)磁阻電機的高速適應(yīng)的特性。

為達到上述目的，本實用新型的實施例采用如下技術(shù)方案：

第一方面，本實用新型的實施例提供一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機，包括：外轉(zhuǎn)子鐵芯(1)和定子鐵芯(4)；所述外轉(zhuǎn)子鐵芯(1)和定子鐵芯(4)以同心方式依次嵌套；所述外轉(zhuǎn)子鐵芯(1)由凸極轉(zhuǎn)子(2)和圓柱形轉(zhuǎn)子(3)軸向復合而成；所述凸極轉(zhuǎn)子(2)內(nèi)壁上等間隔設(shè)置8個轉(zhuǎn)子凸極，每個轉(zhuǎn)子凸極上均無繞組；所述定子鐵芯(4)外壁等間隔設(shè)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(jù)需要而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力。具體地，根據(jù)作用在混合外轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩、磁拉力與定子繞組電流的關(guān)系，通過合理控制繞組電流的大小，即可產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力。在本實用新型實施例中，凸極轉(zhuǎn)子(2)在定子繞組(6)作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，圓柱形轉(zhuǎn)子(3)在定子繞組(6)作用下產(chǎn)生徑向懸浮力。

結(jié)合第一方面，在第一方面的第一種可能的實現(xiàn)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(gòu)成一相，一共分為三相。

結(jié)合第一方面，在第一方面的第二種可能的實現(xiàn)方式中，所述定子凸極和所述轉(zhuǎn)子凸極的極寬均為15°。

第二方面，本實用新型的實施例提供一種磁懸浮開關(guān)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(gòu)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(qū)，另一相工作在轉(zhuǎn)矩勵磁區(qū)。

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

所述轉(zhuǎn)矩勵磁區(qū)在每一相定子繞組(6)的相電感上升區(qū)或相電感下降區(qū)，通過所述相內(nèi)四極定子繞組(6)的對稱勵磁，可分別產(chǎn)生正電磁轉(zhuǎn)矩或負電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電機電動或發(fā)電運行。

本實用新型實施例提供的一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機采用雙相導通解耦控制策略，能夠有效削弱電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的耦合，減少了控制器設(shè)計的難度；具有全轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子疊壓封裝在飛輪內(nèi)側(cè)，縮小整機體積，有利于改善系統(tǒng)的動力特性；繞組結(jié)構(gòu)簡單，有利于提高繞組利用率。懸浮勵磁區(qū)內(nèi)，繞組電感基本維持恒定，相應(yīng)的運動電動勢近似為零，可以解決傳統(tǒng)磁懸浮開關(guān)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實用新型實施例中的技術(shù)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實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本實用新型實施例提供的一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機分解結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型實施例提供的一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機的定子繞組示意圖；

圖4為本實用新型實施例所述一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機的定子繞組相電感關(guān)于轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線示意圖；

圖5為本實用新型實施例所述一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機的雙相導通解耦控制運行區(qū)間示意圖。

具體實施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本實用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本實用新型的實施方式，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，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本實用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)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。

本實用新型的實施例提供了一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機，實現(xiàn)電動/發(fā)電功能與徑向懸浮功能的解耦控制，并增強飛輪轉(zhuǎn)子強度，縮小整機體積，改善系統(tǒng)的動力特性和穩(wěn)定性，以進一步發(fā)揮磁懸浮開關(guān)磁阻電機的高速適應(yīng)的特性。

為達到上述目的，本實用新型的實施例采用如下技術(shù)方案：

第一方面，本實用新型的實施例提供一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機，如圖1和圖2所示。圖1為本實用新型一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是分解結(jié)構(gòu)示意圖。如分解結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括：外轉(zhuǎn)子鐵芯(1)和定子鐵芯(4)；所述外轉(zhuǎn)子鐵芯(1)和定子鐵芯(4)以同心方式依次嵌套；所述外轉(zhuǎn)子鐵芯(1)由凸極轉(zhuǎn)子(2)和圓柱形轉(zhuǎn)子(3)軸向復合而成；所述凸極轉(zhuǎn)子(2)內(nèi)壁上等間隔設(shè)置8個轉(zhuǎn)子凸極，每個轉(zhuǎn)子凸極上均無繞組；所述定子鐵芯(4)外壁等間隔設(shè)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(jù)需要而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力。在本實用新型實施例中，凸極轉(zhuǎn)子(2)在定子繞組(6)作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，圓柱形轉(zhuǎn)子(3)在定子繞組(6)作用下產(chǎn)生徑向懸浮力。

結(jié)合第一方面，在第一方面的第一種可能的實現(xiàn)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(gòu)成一相，一共分為三相。具體地，如圖3所示，其中：A1、A2、A3、A4構(gòu)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(gòu)成B相定子繞組；C1、C2、C3、C4構(gòu)成C相定子繞組。根據(jù)作用在混合外轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩、磁拉力與定子繞組電流的關(guān)系，通過合理控制繞組電流的大小，即可產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力。

結(jié)合第一方面，在第一方面的第二種可能的實現(xiàn)方式中，所述定子凸極和所述轉(zhuǎn)子凸極的極寬均為15°。

第二方面，本實用新型的實施例提供一種磁懸浮開關(guān)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(gòu)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(qū)，另一相工作在轉(zhuǎn)矩勵磁區(qū)。

如圖4所示，本實用新型所述一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機的定子繞組相電感關(guān)于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒槽中心與A相定子凸極齒重合處為轉(zhuǎn)子位置角θ的零度位置，轉(zhuǎn)速以順時針方向為正。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，當轉(zhuǎn)子后沿剛好與定子前沿重合時，θ＝-22.5°；當轉(zhuǎn)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(tài)時，定子繞組導通規(guī)則見表1，在-22.5°≤θ<-7.5°區(qū)間，以B相作為懸浮勵磁相，以C相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相；在-7.5°≤θ<7.5°區(qū)間，以A相作為懸浮勵磁相，以B相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相；在7.5°≤θ<22.5°區(qū)間，以C相作為懸浮勵磁相，以A相作為轉(zhuǎn)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(qū)間選擇

當該飛輪電機運行于發(fā)電狀態(tài)時，定子繞組導通規(guī)則見表2。在-22.5°≤θ<-7.5°區(qū)間，以B相作為懸浮勵磁相，以A相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相；在-7.5°≤θ<7.5°區(qū)間，以A相作為懸浮勵磁相，以C相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相；在7.5°≤θ<22.5°區(qū)間，以C相作為懸浮勵磁相，以B相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相。

表2該飛輪電機發(fā)電運行時的定子繞組勵磁區(qū)間選擇

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

所述轉(zhuǎn)矩勵磁區(qū)在每一相定子繞組(6)的相電感上升區(qū)或相電感下降區(qū)，通過所述相內(nèi)四極定子繞組(6)的對稱勵磁，可分別產(chǎn)生正電磁轉(zhuǎn)矩或負電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電機電動或發(fā)電運行。

圖5為本實用新型實施例所述一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機的雙相導通解耦控制方法運行區(qū)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(qū)，另一相工作在轉(zhuǎn)矩勵磁區(qū)。對每一相繞組而言，以最小相電感平底區(qū)作為該相的懸浮勵磁區(qū)，通過不對稱勵磁后產(chǎn)生徑向懸浮力；以相電感上升區(qū)或下降區(qū)作為該相的轉(zhuǎn)矩勵磁區(qū)，通過對稱勵磁后分別產(chǎn)生正電磁轉(zhuǎn)矩或負電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電機電動或發(fā)電運行。

轉(zhuǎn)矩勵磁區(qū)負責轉(zhuǎn)矩輸出功能，該復合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機電動運行時，以相電感上升區(qū)作為轉(zhuǎn)矩勵磁區(qū)，通過對稱勵磁后分別產(chǎn)生正電磁轉(zhuǎn)矩，與飛輪實際轉(zhuǎn)向相同，帶動飛輪做加速運動，飛輪系統(tǒng)充電；該復合外轉(zhuǎn)子磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機發(fā)電運行時，以相電感下降區(qū)作為轉(zhuǎn)矩勵磁區(qū)，通過對稱勵磁后分別產(chǎn)生負電磁轉(zhuǎn)矩，與飛輪實際轉(zhuǎn)向相反，帶動飛輪做減速運動，飛輪系統(tǒng)放電。

具體地，當該飛輪電機運行于電動狀態(tài)時，在-22.5°≤θ<-7.5°區(qū)間時以C相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相，在-7.5°≤θ<7.5°區(qū)間時以B相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相，在7.5°≤θ<22.5°區(qū)間時以A相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相；反之，當該飛輪電機運行于發(fā)電狀態(tài)時，在-22.5°≤θ<-7.5°區(qū)間時以A相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相，在-7.5°≤θ<7.5°區(qū)間時以C相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相，在7.5°≤θ<22.5°區(qū)間時以B相作為轉(zhuǎn)矩勵磁相。

懸浮勵磁區(qū)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(qū)通過i_A1、i_A2、i_A3和i_a4的不對稱勵磁，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子懸浮所需的徑向力。具體地，i_A1導通時產(chǎn)生沿x軸正方向的懸浮力，i_A3導通時產(chǎn)生沿x軸負方向的懸浮力；i_A2導通時，產(chǎn)生沿y軸正方向的懸浮力，i_A4導通時產(chǎn)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(xiàn)電機轉(zhuǎn)子自懸浮。同理，在B相繞組電感最小的平底區(qū)和C相繞組電感最小的平底區(qū)，也可以通過不對稱勵磁產(chǎn)生轉(zhuǎn)子懸浮所需的徑向力。

采用本實用新型實施例提供的一種磁懸浮開關(guān)磁阻飛輪電機有益效果是：

(1)有效削弱電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力的耦合，減少了控制器設(shè)計的難度。

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

(2)具有全轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子采用凸極轉(zhuǎn)子和圓柱形轉(zhuǎn)子軸向復合的結(jié)構(gòu)，圓柱形轉(zhuǎn)子使得該飛輪電機具有全轉(zhuǎn)子位置角的徑向懸浮能力，克服了傳統(tǒng)磁懸浮開關(guān)磁阻電機在定轉(zhuǎn)子不對齊位置不能有效產(chǎn)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(zhuǎn)子疊壓封裝在飛輪內(nèi)側(cè)，縮小整機體積，有利于改善系統(tǒng)的動力特性。

混合外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的飛輪電機，可以將電機轉(zhuǎn)子疊壓封裝在飛輪內(nèi)側(cè)，使電機轉(zhuǎn)子與飛輪合二為一，可以增強飛輪轉(zhuǎn)子強度，縮小整機體積，有利于增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動力特性。

(4)繞組結(jié)構(gòu)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(jù)作用在混合外轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩、磁拉力與定子繞組電流的關(guān)系，通過合理控制繞組電流的大小，即可產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力。電機結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電機的主體結(jié)構(gòu)類似，更具有通用性和實用性。

(5)懸浮勵磁區(qū)內(nèi)，繞組電感基本維持恒定，相應(yīng)的運動電動勢近似為零，可以解決傳統(tǒng)磁懸浮開關(guān)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，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。