CN110855031A

CN110855031A - 具有8/4槽极比的单绕组bl-bldc控制方法

Info

Publication number: CN110855031A
Application number: CN201911181493.2A
Authority: CN
Inventors: 卜文绍; 袁澜; 张松灿; 曾倩; 张飞
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-02-28
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: CN110855031B

Abstract

具有8/4槽极比的单绕组BL‑BLDC控制方法，首先，构建具有8槽定子、4极永磁外转子的单绕组BL‑BLDC的定转子拓扑结构，包括布局8/4槽极比单绕组BL‑BLDC的定子齿/槽，设计8/4槽极比单绕组BL‑BLDC的定子齿/槽结构，构建双四相对称星型线圈组定子绕组结构，按N、S交替极性顺序构建8/4槽极比单绕组BL‑BLDC的永磁外转子结构；然后，以能够同时产生电磁转矩和径向磁悬浮力为目标，根据所构建的8/4槽极比单绕组BL‑BLDC结构特点，建立定子齿线圈各分组线圈之间电磁转矩、径向磁悬浮力产生功能的交替切换控制方法或规则。该专利适用于需要兼顾磁悬浮力、电磁转矩的共同提高，而且具有良好解耦控制性能的无轴承无刷直流电机技术领域。

Description

具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法

技术领域

本发明涉及新型特种交流电机及其驱动控制技术领域，尤其适用于需要兼顾提高磁悬浮力和电磁转矩的无刷直流电机无轴承磁悬浮运行控制应用场合，具体说的是具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法。

背景技术

关于“无轴承无刷直流电机”（简称BL-BLDC），国内外已对双绕组结构BL-BLDC（简称“双绕组BL-BLDC”）进行过研究，在其转矩控制方面，基本沿用了传统无刷直流电机的“三相二通”工作模式；而在其转子磁悬浮控制方面，已在磁悬浮力精确建模、定/转子结构、磁悬浮性能分析和控制策略等方面进行过研究。但是，“双绕组BL-BLDC”存在的主要问题在于：若同齿的转矩绕组与悬浮绕组同时通电，将导致电磁转矩与可控磁悬浮力之间的高度耦合，而若同齿的转矩绕组与悬浮绕组不同时通电，可控磁悬浮力的提升空间较小；独立磁悬浮绕组的存在，降低了转矩绕组的占槽率，导致电机的功率密度也比较低。因此，探索能兼顾提高磁悬浮力和电机功率密度的单绕组结构BL-BLDC（简称“单绕组BL-BLDC”），并使所有定子齿线圈同时工作，就成了问题解决的关键，也是BL-BLDC走上实用化发展道路的必然途径。

文献和专利检索结果表明：关于“单绕组BL-BLDC”技术，国外也尚处于起步阶段、文献资料很少，而国内尚未见相关技术资料。自2011年以来，日本研究和提出了一种具有12/6槽极比的“单绕组BL-BLDC”结构，但其相比“双绕组BL-BLDC”结构，无法有效提高电机功率密度，而且其驱动逆变器的成本高、存在直流侧不均压问题。

为了在提高磁悬浮力的同时，能够兼顾提高电磁转矩或电机功率密度，以便克服国外现有技术研究中所存在的缺陷，本发明将针对一种可兼顾提高径向磁悬浮力、电磁转矩（或功率密度）的8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”结构，提出其稳定磁悬浮运行控制规则或控制方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法，以8/4槽极比单绕组BL-BLDC拓扑结构为基础，不但能够大幅度提高径向磁悬浮力的幅值，而且沿相互垂直的两个方向拥有同等的磁悬浮力控制刚度，兼顾提高电磁转矩或电机功率密度。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建8/4槽极比单绕组BL-BLDC的拓扑结构，采用的是8槽内定子、4极永磁外转子结构，具体构建步骤如下：

步骤1.1、构建8/4槽极比单绕组BL-BLDC的内定子结构：在内定子铁芯上均匀布局8个定子齿和定子槽结构；在每个定子齿上绕制一个定子齿线圈；然后，将相间隔的四个定子齿线圈作为一组，每组的定子齿线圈按四相星型连接后，其首端连接一个四相逆变器，其未端共同连接在一起，组成两个四相对称星型线圈组；

步骤2、构建8/4槽极比单绕组BL-BLDC的永磁外转子结构：在外转子铁芯的内侧粘接四个按N、S交替极性顺序排布的瓦片形永磁磁钢；

步骤3、构建8/4槽极比单绕组BL-BLDC的四相对称星型线圈组控制方法，在8/4槽极比单绕组BL-BLDC运行过程中，实时测量四个永磁磁钢相对于两个四相对称星型线圈组的位置，并据此实时交替切换、分时控制两个“四相对称星型线圈组”的产生电磁转矩和磁悬浮力，从而实现8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的稳定磁悬浮运行控制，具体构建步骤如下：

步骤3.1、当4极永磁外转子N极与4极永磁外转子S极的分界线处于一个四相对称星型线圈组的四个齿线圈之上时，由位于分界线的四相对称星型线圈组连接的四相逆变器驱动对应的四相对称星型线圈组工作，而产生四极转矩磁场，并通过与四极永磁磁钢的相互作用而产生电磁转矩，从而控制4极永磁外转子的旋转运动；由另一个四相逆变器驱动未位于分界线的另一个四相对称星型线圈组工作而产生二极悬浮磁场，并通过与四极永磁磁钢的相互作用而产生作用于4极永磁外转子的径向磁悬浮力，用于控制4极永磁外转子的径向磁悬浮运动；

步骤3.2、对于当前用于产生电磁转矩的四相对称星型线圈组中的四个定子齿线圈，把空间位置相对的两个定子齿线圈归为一个小线圈组，另两个空间位置相对的定子齿线圈归为另一个小线圈组；每个小线圈组中两个定子齿线圈通入的电流取为相同方向，即同为正电流或同为负电流，给四个定子齿线圈中通入电流的绝对值取为等值；

步骤3.3、对于当前用于产生径向磁悬浮力的四相对称星型线圈组中的四个定子齿线圈，把空间位置相对的两个定子齿线圈归为一个小线圈组，用于产生沿该小线圈组轴线方向的径向磁悬浮力，通过该小线圈组中两个定子齿线圈的电流差值来控制径向磁悬浮力的大小和方向；对于另两个空间位置相对的定子齿线圈构成的另一个小线圈组，用于产生沿其小线圈组线方向的径向磁悬浮力，通过另一个小线圈组中两个定子齿线圈的电流差值来控制径向磁悬浮力的大小和方向，使该两个小线圈组所产生的径向磁悬浮力将在两个互相垂直的轴线方向上。

定子齿或定子槽之间的距角宽度为45度，把8个定子齿或定子槽沿内定子铁芯的外表面均匀分布，定子槽采用梨形定子槽结构，其槽底部圆弧的原点设定在定子槽的槽截面中心线上，相邻两个梨形槽之间采用上下等宽的定子齿体。

永磁磁钢的厚度按5~10倍的电机气隙长度确定，每个瓦片形永磁磁刚的极弧宽度选定在70度~80度机械角度范围之内。

本发明给出的具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法，其优点和积极效果有以下几个方面：

1）本专利控制方法所依据的“8/4槽极比单绕组BL-BLDC”拓扑结构，在任意时刻、任意转子位置，必有一个“四相对称星型线圈组”用于产生和控制电磁转矩，也必有一个“四相对称星型线圈组”用于产生和控制径向磁悬浮力，而且每个“四相对称星型线圈组”中的四个定子齿线圈及其所在定子齿，要么当前仅用于产生电磁转矩，要么当前仅用于产生磁悬浮力。所以，采用本专利提出的“具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法”，在任意转子位置、任意时刻，必有有4个定子齿线圈用于产生和控制电磁转矩，另有4个定子齿线圈用于产生和控制磁悬浮力，不但能够保证“单绕组BL-BLDC”稳定、可靠的磁悬浮运行，而且能够有效避免当前用于“产生电磁转矩的齿线圈”与当前用于“产生径向磁悬浮力的齿线圈”之间的电磁耦合，从结构上保证了转矩系统和磁悬浮系统之间的良好的动态解耦控制性能。

2）采用定子8槽结构取代国外已有的定子12槽结构，同等条件下的单齿铁芯截面积、单齿最大磁通量可提高0.5倍；采用本专利提供的控制方法时，在任意时刻、任意转子位置，在当前用于产生和控制径向磁悬浮力的“四相对称星型线圈组”中，是由空间位置相对的“两个齿线圈”共同来产生和控制沿该两齿线圈轴线方向的径向磁悬浮力，由空间位置相对的“另两个齿线圈”共同来产生和控制沿垂直方向的径向磁悬浮力。因此，采用本专利提出的“具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法”，不但能够大幅度提高径向磁悬浮力的幅值，而且沿相互垂直的两个方向拥有同等的磁悬浮力控制刚度。

附图说明

图1为8/4槽极比单绕组BL-BLDC的拓扑结构示意图；

图2为8/4槽极比单绕组BL-BLDC的拓扑结构的四相对称星型线圈组与外部四相逆变器连接原理示意图；

图3为8/4槽极比单绕组BL-BLDC的控制方法原理流程示意图。

具体实施方式

具有8/4槽极比的单绕组无轴承无刷直流电机（简称“单绕组BL-BLDC”）的控制方法。具体为，首先，构建具有8槽内定子、4极永磁外转子的单绕组BL-BLDC的定转子拓扑结构，包括布局8/4槽极比单绕组BL-BLDC的定子齿和定子槽，设计8/4槽极比单绕组BL-BLDC的定子齿和定子槽结构，构建双“四相对称星型线圈组”定子绕组结构，按N、S交替极性顺序构建8/4槽极比单绕组BL-BLDC的永磁外转子结构等；然后，以能够同时产生电磁转矩和径向磁悬浮力为目标，根据所构建的8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”结构特点，建立其定子齿线圈各分组线圈之间电磁转矩、径向磁悬浮力产生功能的交替切换控制方法或规则。该专利技术属于新型特种电机及其驱动控制技术领域，尤其适用于需要兼顾磁悬浮力、电磁转矩的共同提高，而且具有良好解耦控制性能的无轴承无刷直流电机技术领域。

专利发明原理依据：

1）采用具有8/4槽极比（即具有8槽定子、4极永磁转子）的“单绕组BL-BLDC”结构，在任意时刻、任意转子位置，必有4个对称分布的定子齿线圈处于转子永磁N极或永磁S极之下，给由其构成的“四相对称星型线圈组”通入恰当的电流，可产生径向磁悬浮力；另有4个对称分布的定子齿线圈处于转子永磁N/S磁极的分界线之下，给由其构成的“四相对称星型线圈组”通入恰当的电流，可产生电磁转矩。在电机运行过程中，若能根据当前四极永磁转子的空间位置实时交替切换、分时控制两组“四相对称线圈组”的电磁转矩和磁悬浮力产生功能，便可实现8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的稳定磁悬浮运行控制。

2）在其他条件同等的情况下，用单绕组代替双绕组，则每个定子齿线圈的匝数（或占槽面积）可提高近1倍，用定子8齿/槽结构取代国外已有的定子12齿/槽结构，则单齿铁芯截面积、单齿最大磁通量可提高0.5倍。因此，基于8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”结构，根据其设定的控制方法或规则运行时，能够同时提高BL-BLDC的功率密度（或电磁转矩）和可控磁悬浮力。

为了实现上述目的，本发明采取的技术手段为：具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法，包括以下步骤：

1）构建8/4槽极比单绕组BL-BLDC的拓扑结构

如图1所示为所构建的具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构示意图，采用的是8槽内定子、4极永磁外转子结构。具体构建步骤如下：

（1）布局8/4槽极比单绕组BL-BLDC的定子齿和定子槽结构。按定子齿或定子槽之间的距角宽度为45度，把8个定子齿和定子槽沿内定子铁芯的外表面按均匀分布，并把各定子齿按逆时针顺序依次分别编号为第1号~第8号定子齿。采用梨形定子槽结构，其槽底部圆弧的原点设定在槽截面中心线上，相邻两个梨形槽之间采用“上下等宽的定子齿体”。

（2）构建8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的双“四相对称星型线圈组”定子绕组结构。具体构建方法为，首先在每个定子齿上绕制一个定子齿线圈，形成第1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号等共8个定子齿线圈，8个定子齿线圈的编号与相应的定子齿编号保持一致；然后把第1号、3号、5号、7号定子齿线圈划分为一组,按四相星型连接之后构成“四相对称星型线圈组1”，该组中四个定子齿线圈的末端共同连接到“四相对称星型线圈组1”的“联结中点O₁”，而该组中四个定子齿线圈的首端用于连接电机外部的“四相逆变器1”；最后把其余的四个定子齿线圈也即第2号、4号、6号、8号定子齿线圈划分为另一组,按四相星型连接之后构成“四相对称星型线圈组2”，该组中四个定子齿线圈的末端共同连接到“四相对称星型线圈组2”的“联结中点O₂”，而该组中四个定子齿线圈的首端用于连接电机外部的“四相逆变器2”。

经过以上方法即可构成8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的双“四相对称星型线圈组”定子绕组结构。如图2所示为所构造出的8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的双“四相对称星型线圈组”定子绕组拓扑结构及其与外部驱动逆变器的连接原理示意图。

（3）构建8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的永磁外转子结构。首先结合永磁外转子铁芯尺寸制作四个瓦片形永磁磁钢，磁钢厚度按5~10倍的电机气隙长度确定，每个瓦片形磁刚的极弧宽度选定在70度~80度机械角度范围之内；磁钢材料，则根据电机工作性能要求以及制作成本因素等从铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料等材料中选取。然后按N、S交替极性顺序，把四个瓦片形永磁磁钢进行径向或平行充磁工艺。最后按N、S交替极性顺序，采用永磁体粘接胶把四个瓦片形永磁体均匀粘贴在外转子铁芯的内侧表面，从而构成4极永磁外转子结构。

2）设计8/4槽极比单绕组BL-BLDC的线圈组控制方法或规则

图1中所构建的8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”拓扑结构，其特点在于：在任意时刻、任意转子位置，必有4个间隔对称分布的定子齿线圈处于转子永磁N极（或S极）之下，在由其构成的“四相对称线圈组”中通入恰当的电流，便可沿两互相垂直方向产生作用于外转子的可控径向磁悬浮力；另有4个间隙对称分布的定子齿线圈处于转子永磁N极与永磁S极之间的分界线之下，在由其构成的“四相对称线圈组”通入恰当的电流，便可产生作用于外转子的旋转驱动电磁转矩。

鉴于所构建的8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的拓扑结构特点，设计出各个“四相对称线圈组”的具体控制方法如下：

（1）当4极永磁外转子N极与4极永磁外转子S极的分界线处于“四相对称星型线圈组1”的四个定子齿线圈之上时，由“四相逆变器1”驱动“四相对称星型线圈组1”工作而产生四极转矩磁场，并通过与4极永磁外转子的相互作用而产生电磁转矩，从而控制4极永磁外转子的旋转运动；由“四相逆变器2”驱动“四相对称星型线圈组2”工作而产生二极悬浮磁场，并通过与4极永磁外转子的相互作用而产生作用于4极永磁外转子的径向磁悬浮力，用于控制4极永磁外转子的径向磁悬浮运动。

（2）当4极永磁外转子N极与4极永磁外转子S极的分界线处于“四相对称星型线圈组2”的四个齿线圈之上（即（1）中的条件不满足）时，由“四相逆变器2”驱动“四相对称星型线圈组2”工作而产生四极转矩磁场，并通过与4极永磁外转子的相互作用而产生电磁转矩，从而控制4极永磁外转子的旋转运动；由“四相逆变器1”驱动“四相对称星型线圈组1”工作而产生二极悬浮磁场，并通过与4极永磁外转子的相互作用而产生作用于4极永磁外转子的径向磁悬浮力，用于控制4极永磁外转子的径向磁悬浮运动。

（3）对于当前用于产生电磁转矩的“四相对称星型线圈组”中的四个定子齿线圈，把空间位置相对的两个定子齿线圈归为一个“小线圈组”，另两个空间位置相对的定子齿线圈归为另一个“小线圈组”；每个“小线圈组”中两个定子齿线圈通入的电流取为相同方向也即同为正电流或同为负电流，具体应该给每个“小线圈组”通入正电流或负电流，则根据需要产生的电磁转矩方向以及电磁力定理（左手定则）来确定；给四个定子齿线圈中通入电流的绝对值取为等值。

（4）对于当前用于产生径向磁悬浮力的“四相对称星型线圈组”中的四个定子齿线圈，把空间位置相对的两个定子齿线圈归为一个“小线圈组”，用于产生沿该“小线圈组”轴线方向的径向磁悬浮力，通过该“小线圈组”中两个定子齿线圈的“电流差值”来控制径向磁悬浮力的大小和方向；对于另两个空间位置相对的定子齿线圈构成的另一个“小线圈组”，用于产生沿其“小线圈组”轴线方向的径向磁悬浮力，通过其“小线圈组”中两个定子齿线圈的“电流差值”来控制径向磁悬浮力的大小和方向；根据该电流控制方法，结合线圈分布的对称性特点，该两个“小线圈组”所产生的径向磁悬浮力将在两个互相垂直的轴线方向上。

（5）在8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”运行过程中，实时测量四极永磁转子相对于两个“四相对称星型线圈组”的位置，并据此实时交替切换、分时控制两个“四相对称星型线圈组”的电磁转矩和磁悬浮力产生功能，从而实现8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的稳定磁悬浮运行控制。

根据以上控制方法或原则，图3给出了具有8/4槽极比的“单绕组BL-BLDC”双“四相对称星型线圈组”的实时交替、分时控制方法原理流程图示意图。

Claims

1.具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法，其特征在于：定子齿或定子槽之间的距角宽度为45度，把8个定子齿或定子槽沿内定子铁芯的外表面均匀分布，定子槽采用梨形定子槽结构，其槽底部圆弧的原点设定在定子槽的槽截面中心线上，相邻两个梨形槽之间采用上下等宽的定子齿体。

3.如权利要求1所述的具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC控制方法，其特征在于：永磁磁钢的厚度按5~10倍的电机气隙长度确定，每个瓦片形永磁磁刚的极弧宽度选定在70度~80度机械角度范围之内。