CN104810998B - 无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，属于电机制造领域。包括机壳、转子、上层定子、下层定子和不导磁转轴，不导磁转轴的两端分别安装径向被动磁轴承；上、下层定子均由无槽定子轭和轴向倾斜环形绕制的绕组构成，上、下层定子上的绕组倾斜方向角关于电机轴向对称；上层定子和下层定子的绕组上分别连接三相逆变器，三相逆变器连接控制器；还包括连接控制器的转子位置传感器和轴向位移传感器。定子采用无槽结构，消除了电机齿槽效应；通过调节上下两层定子绕组电流给定，实现对转子轴向悬浮和旋转解耦控制，解决了采用d轴电流控制轴向悬浮而引起的永磁体退磁问题。本发明还公开了无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机的控制方法。

Description

无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机，具体讲是一种无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机及控制方法，属于电机制造领域。

背景技术

无轴承电机具有无磨损、无润滑、无污染等特点，在医疗、生物化工、半导体制造等领域得到了广泛的运用。在无轴承电机中，转子的两个径向、两个扭向、一个轴向共5个自由度需保证稳定磁悬浮，而主动控制自由度的数目决定了所需逆变器的数目。例如，传统的4自由度主动控制的无轴承电机由圆柱形转子和两个无轴承电机部件串联构成，其中径向和扭向4个自由度主动控制，而轴向通过被动磁轴承实现被动悬浮。因而，除了电机驱动所需的逆变器外，额外需要两套三相逆变器。若需实现5个自由度全控制，则需要在上述的4自由度电机上加装一个轴向主动磁轴承，同时采用一套单相逆变器来实现该磁轴承的主动控制。可以看出，主动控制自由度数目的增多不仅导致电机体积增大，同时控制系统所需功率器件、位移传感器数目相应增加，此外还使得运行过程中功率损耗以及制造过程中成本的提高。可以预见，主动控制自由度的减少除了可以缩小电机体积，也有利于降低制造成本和控制难度，因此单驱动悬浮控制或单轴悬浮控制无轴承电机是今后的发展趋势。

在目前已有的单驱动或单轴控制无轴承电机中，多采用轴向主动控制，径向及扭向采用被动稳定。该类电机一般有两种驱动运行方法：(1)采用一套单相逆变器或线性放大器用于轴向悬浮控制，一套三相逆变器用于转速控制，从而实现悬浮和旋转的同时控制。这种方法的缺憾在于需要较多的功率器件，增大了电机的功率损耗和体积。(2)仅采用一套三相逆变器进行控制，分别利于用d轴电流i_d控制轴向悬浮，q轴电流i_q控制转矩，从而实现轴向悬浮与转矩的同时控制。但是该方法的缺点在于采用d轴电流i_d控制轴向悬浮，会对永磁体造成退磁风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种结构紧凑，既能实现转子轴向悬浮和旋转，又能够避免永磁体退磁的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机包括机壳及设置在机壳内的转子、上层定子、下层定子和不导磁转轴，所述不导磁转轴穿过转子中心，上层定子和下层定子安装在转子的外周，所述转子采用永磁转子形式，所述不导磁转轴的两端分别安装径向被动磁轴承；所述上、下层定子均由无槽定子轭和轴向倾斜环形绕制的绕组构成，上、下层定子上的绕组倾斜方向角关于电机轴向对称；所述上层定子和下层定子的绕组上分别连接三相逆变器，所述三相逆变器连接控制器；还包括与控制器连接的转子位置传感器和轴向位移传感器。

本发明中，所述轴向位移传感器安装在机壳上，测量盘安装在不导磁转轴上。

本发明中，所述转子位置传感器安装在机壳上，转子位置测量磁环安装在不导磁转轴上，所述转子位置传感器与转子位置测量磁环外环共面。

本发明中，所述径向被动磁轴承为斥力型永磁被动磁轴承。

本发明中，所述转子永磁体布置方式可采用表面贴装式、表面插入式、内置径向式、内置切向式或Halbach阵列式结构。

本发明中，所述轴向位移传感器和转子位置传感器为霍尔传感器、电涡流传感器、电感式传感器或光电传感器中任意一种。

本发明还提供了上述无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机的控制方法，包括以下步骤：

1)、轴向位移传感器测得的转子轴向位移反馈信号z并与给定轴向位移信号z^*比较，经PD控制器得到转子稳定悬浮所需的轴向力F_z；转子位置传感器测得的转子转速反馈信号ω与给定转速信号ω^*比较，经外环PI控制器得到使转子稳定旋转所需的转矩T；

2)、对步骤1)得到的F_z、T进行解耦运算，得到上层定子绕组电流给定下层定子绕组电流给定

式中，K_t为转矩力数、K_z轴向力系数；

3)、将步骤2)得到上层定子绕组电流给定和下层定子绕组电流给定与实测的电流反馈比较，经内环PI控制器分别得到上层定子绕组和下层定子绕组的d、q轴给定电压；

4)、上层定子绕组和下层定子绕组的d、q轴给定电压通过坐标变化与空间矢量调制后分别得到两个三相逆变器的驱动信号。

本发明的有益效果在于：(1)、本发明无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机结构简单，其定子采用无槽结构，消除了电机齿槽效应，具有转矩波动小，运行平稳，噪声低，损耗低等优点，降低了定子中的磁密饱和，增大了电机的负载能力，适用于多种特殊场合，如超洁净领域、高功率密度应用场合等；(2)、无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机通过调节上下两层定子绕组电流给定，实现对转子轴向悬浮和旋转解耦控制，解决了采用d轴电流控制轴向悬浮而引起的永磁体退磁问题；(3)、无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机控制系统简单，两个径向、两个扭向共四个自由度通过永磁径向磁轴承实现被动悬浮控制，而轴向和旋转方向只需两套三相逆变器、一套控制器就能够实现转子轴向悬浮和转矩的独立控制，具有结构紧凑、成本低、控制方便等优点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明机体剖面示意图；

图3为本发明机体立体结构图；

图4为本发明线圈展开和绕组受力原理图；

图5为本发明控制框图；

图6为本发明空载时的反电势波形；

图7为本发明加载时轴向力和转矩与定子电流幅值的关系，其中：(a)为上层定子、(b)为下层定子、(c)为双层定子；

图8为本发明加载时转速和轴向位移跟踪图；

图中：1-机壳、2-转子、3-上层定子、4-下层定子、5-不导磁转轴、6-径向被动磁轴承、7-轴向位移传感器、8-测量盘、9-转子位置传感器、10-转子位置测量磁环、11-定子轭、12-绕组、13-转子永磁体、14-转子轭。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例中以永磁体为钕铁硼，轴向位移传感器7采用电涡流传感器，转子位置传感器9采用霍尔传感器，控制器采用数字信号处理器(DSP)实现,其包括PD控制器和PI控制器，上层绕组为轴向右偏、下层绕组为轴向左偏的三相电机为例，详细说明本发明的技术方案：

如图1、2和3所示，本发明无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机包括径向机壳1、永磁转子2、上层定子3、下层定子4、不导磁转轴5、第一三相逆变器(InverterⅠ)、第二三相逆变器(InverterⅡ)、控制器、轴向位移传感器7、转子位置传感器9。永磁转子2、上层定子3、下层定子4和不导磁转轴5安装在机壳1内。永磁转子2为上下两层分别与上层定子3和下层定子4对应，永磁转子2由转子轭14和永磁体13构成，两者之间采用表面贴装式结构。上层定子3和下层定子4设置在永磁转子2的外周，上层定子3和下层定子4均由无槽定子轭11和轴向倾斜环形绕制的绕组12构成，上、下层绕组倾斜方向角关于电机轴向对称(即于电机径向平面垂直的方向，上层轴向右偏α角，则下层轴向左偏α角，如图4所示)。不导磁转轴5穿过永磁转子2的中心，不导磁转轴5的两端(即定转子的两侧)分别安装径向被动磁轴承6，径向被动磁轴承6采用斥力型永磁被动磁轴承。

上层定子3的绕组与第一三相逆变器连接，下层定子4的绕组与第二三相逆变器连接。第一三相逆变器和第二三相逆变器均与控制器连接。控制器产生驱动信号驱动第一三相逆变器和第二三相逆变器。

轴向位移传感器7安装在机壳1的端盖上，测量盘8安装在不导磁转轴5上，测量盘8位于轴向位移传感器7的外侧。转子位置传感器9安装在机壳1的内侧且不随不导磁转轴5旋转，转子位置测量磁环10安装在不导磁转轴5上，二者相对应，并且外环共面。轴向位移传感器7和转子位置传感器10均连接控制器。

本实施例中轴向位移传感器7采用电涡流传感器，也可以采用霍尔传感器、电感式传感器或光电传感器。转子位置传感器10采用霍尔传感器，也可以采用电涡流传感器、电感式传感器或光电传感器。

作为本领域技术人员应当知道永磁转子2的转子轭和永磁体之间的结构还可采用表面插入式、内置径向式、内置切向式或Halbach阵列式。

本发明无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机采用传统的i_d＝0的矢量控制，通过控制上层定子3和下层定子4绕组中的q轴电流，实现转矩和轴向力的解耦控制，从而同时控制转子的旋转与轴向悬浮。其运行原理为：

本发明无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机采用传统的i_d＝0的矢量控制。如图4所示，当上层定子中通入q轴电流i_q1，根据左手定则，对应产生垂直于磁场方向和导线的洛伦兹力F₁，洛伦兹力F₁可分解为轴向力F_z1和切向力F_t1，切向力F_t1可产生转矩T₁，因而上层定子的转矩和轴向力均与电流i_q1成正比，如式(1)；同理，当下层定子中通入q轴电流i_q2，根据左手定则，对应产生垂直于磁场方向和导线的洛伦兹力F₂，洛伦兹力F₂可分解为轴向力F_z2和切向力F_t2，切向力F_t2可产生转矩T₂，因而下层定子的转矩和轴向力也均与电流i_q2成正比，如式(2)。根据牛顿第三定律，转子上会同时受到与F₁、F₂大小相同方向相反的力，如式(3)，从而同时控制转子的旋转与轴向悬浮：

式中：r为转子半径，K_t和K_z分别为转矩和轴向力系数，T为转矩，F_Z为轴向悬浮力。

如图5所示，图中1为上层定子、2为下层定子；为上层定子绕组的d、q轴的给定电流，为下层定子绕组的d、q轴的给定电流；i_d1、i_q1为上层定子绕组的d、q轴反馈电流(即d、q轴的输入电流)，i_d2、i_q2为下层定子绕组的d、q轴反馈电流(即d、q轴的输入电流)，该电流是由上下层定子绕组A、B相测量电流i_a1、i_b1和i_a2、i_b2经坐标变换计算得到；U_d、U_q为d、q轴给定电压；U_α、U_β为经坐标变换后的α、β轴给定电压；为转子位置对时间的求导，从而得到转子转速。

本发明无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机的控制方法为：

首先，轴向位移传感器测得的转子轴向位移反馈信号z并与给定轴向位移信号z^*比较，经PD控制器得到使转子稳定悬浮所需的轴向力F_Z；转子位置传感器实测得的转子转速反馈信号ω与给定转速信号ω^*比较，经外环PI控制器得到使转子稳定旋转所需的转矩T。

对于只有上层定子或下层定子的一套定子绕组而言，其产生的转矩和轴向力相互耦合，无法从数学上实现解耦，通过双层定子结构可实现转矩和轴向力的解耦控制。根据解耦控制算法，即式(4)对F_Z、T进行解耦运算，得到上层定子绕组电流给定下层定子绕组电流给定

通过对和的控制能够实现转矩和轴向力的控制，进而控制电机旋转和轴向悬浮；上述的解耦过程实现了转速和轴向位移的独立控制，可以通过对转速的闭环和轴向位移的闭环实现电机的稳定运行。

其次，将得到的上定子绕组电流给定下层定子绕组电流给定与实测的电流i_a1、i_b1和i_a2、i_b2经坐标变换后得到的反馈电流i_q1和i_q2比较，经内环PI控制器调节输出得到上层定子绕组的d、q轴给定电压U_d1、U_q1和下层定子绕组的d、q轴给定电压U_d2、U_q2。经坐标变换后得到上层定子绕组的α、β轴给定电压U_α1、U_β1和下层定子绕组的α、β轴给定电压U_α2、U_β2。

最后，α、β轴给定电压经空间矢量调制得到第一三相逆变器和第二三逆变器的驱动信号。

上述的解耦过程实现了转速和轴向位移的独立控制，可以通过对转速的闭环和轴向位移的闭环实现电机的稳定运行。

由于该发明电机的径向和扭转的自由度上通过磁轴承来实现被动稳定，而其在轴向必须通过主动控制保证稳定，因此有必要对转子的轴向运动进行稳定特性的分析。为简化分析，忽略轴向运动和其他自由度运动之间的耦合，转子在平衡点附近所受轴向力的大小可近似认为与位移成线性关系。由此可以列出转子轴向位移开环时在s域的传递函数，如式(5)：

式中：m为转子质量，k(k>0)为轴向位移刚度。

对于该开环传递函数，由于其存在右半平面极点，必须通过串联超前校正实现稳定，也即采用PD控制器。采用PD控制器后，其闭环传递函数为：

式中：K_p为比例系数，K_d为微分系数。由劳斯判稳依据可知，要实现轴向位移的稳定，只需满足K_p>k，K_d>0。

为验证本发明所提电机结构和控制方法的有效性，分别利用有限元分析和控制系统仿真手段对电机性能进行定量研究。如图6所示，无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机反电势波形正弦度良好，谐波含量少，在i_d＝0控制策略下转矩脉动小，轴向力平稳，可显著提高整个传动系统的性能。

如图7所示，通过调节上下两层定子绕组的q轴电流i_q1和i_q2，能够实时调节电机转子轴向悬浮力和驱动转矩，实现轴向悬浮和旋转实现解耦控制，解决了采用d轴电流控制轴向悬浮而引起的永磁体退磁问题。

如图8所示，无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机控制系统简单，转速与轴向位移跟踪良好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，包括机壳及设置在机壳内的转子、上层定子、下层定子和不导磁转轴，所述不导磁转轴穿过转子中心，上层定子和下层定子安装在转子的外周，所述转子采用永磁转子形式，其特征在于：所述不导磁转轴的两端分别安装径向被动磁轴承；所述上、下层定子均由无槽定子轭和轴向倾斜环形绕制的绕组构成，上、下层定子上的绕组倾斜方向角关于电机轴向对称；所述上层定子和下层定子的绕组上分别连接三相逆变器，所述三相逆变器连接控制器；还包括与控制器连接的转子位置传感器和轴向位移传感器。

2.根据权利要求1所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所述轴向位移传感器安装在机壳上，测量盘安装在不导磁转轴上。

3.根据权利要求1或2所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所述转子位置传感器安装在机壳上，转子位置测量磁环安装在不导磁转轴上，所述转子位置传感器与转子位置测量磁环外环共面。

4.根据权利要求3所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所述径向被动磁轴承为斥力型永磁被动磁轴承。

5.根据权利要求4所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所述转子永磁体布置方式可采用表面贴装式、表面插入式、内置径向式、内置切向式或Halbach阵列式结构。

6.根据权利要求5所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所述轴向位移传感器和转子位置传感器为霍尔传感器、电涡流传感器、电感式传感器或光电传感器中任意一种。

7.根据权利要求1所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、轴向位移传感器测得的转子轴向位移反馈信号z并与给定轴向位移信号z^*比较，经PD控制器得到转子稳定悬浮所需的轴向力F_z；转子位置传感器测得的转子转速反馈信号ω与给定转速信号ω^*比较，经外环PI控制器得到使转子稳定旋转所需的转矩T；

2)、对步骤1)得到的F_z、T进行解耦运算，得到上层定子绕组电流给定下层定子绕组电流给定

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{q1}^{*}=\frac{1}{2}(\frac{T}{K_t}+\frac{F_Z}{K_z})\\ i_{q2}^{*}=\frac{1}{2}(\frac{T}{K_t}-\frac{F_Z}{K_z})\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，K_t为转矩力数、K_z轴向力系数；

3)、将步骤2)得到上层定子绕组电流给定和下层定子绕组电流给定与实测的电流反馈比较，经内环PI控制器分别得到上层定子绕组和下层定子绕组的d、q轴给定电压；

4)、上层定子绕组和下层定子绕组的d、q轴给定电压通过坐标变化与空间矢量调制后分别得到两个三相逆变器的驱动信号。