CN110868115A - 适用于无传感控制的电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于无传感控制的电机，所述电机包括电机主体部和电机辅助部，所述电机主体部包括定子组件、转子组件以及电机轴；所述电机辅助部包括辅助绕组以及辅助永磁体组；所述转子组件和辅助永磁体组分别固定在所述电机轴的轴向的不同位置，且所述定子组件环绕所述转子组件设置，所述辅助绕组环绕所述辅助永磁体组设置。本发明实施例通过设置独立于电机主体部的辅助永磁体组和辅助绕组，可在电机主体部运行过程中产生辅助速度/位置信号，使无速度/位置传感控制在低速段更准确，更可靠，从而弥补无速度传感观测器在低速段无法满足应用需求的难点。

Description

适用于无传感控制的电机
技术领域
本发明实施例涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种适用于无传感控制的电机。
背景技术
无速度/位置传感控制在工业应用中的需求越来越普遍。相较于传统的有速度/位置传感器控制方式，由于无速度/位置传感控制减少了速度/位置传感器，不仅减少成本，而且降低了速度/位置传感器带来的可靠性隐患(在许多工业现场，由于环境恶劣，例如存在油污、振动冲击、电磁噪声干扰等因素，速度/位置传感器很容易出现故障)。
然而，现有的无速度/位置传感控制相比于有传感器控制而言，以普遍的永磁同步电机为例，不论是基于电机模型的方法，还是基于高频注入的方法，依然面临诸多亟待解决的问题，具体体现在以下几个方面：
(1)低速性能有待提升。在低速情况下，由于电机电流信号信噪比小，以及逆变器死区非线性等影响导致的谐波含量高，导致无速度/位置传感估算的转速、角度偏差较大，严重时甚至导致电机无法稳定运行。
(2)参数易受工作环境影响。电机参数在随运行工况而变化，如同步机电阻随绕组温度上升，电感随负载电流呈现非线性变化，永磁体磁链随温度上升下降等，都会导致转速、位置观测偏差，严重时甚至导致观测器发散而不稳定运行。
目前的无速度/位置传感控制，主要从算法理论层面来提升无速度/传感观测器的稳定性、抗干扰性以及参数鲁棒性等，而针对现有无速度/位置传感控制在零速或低速性能提升依然没有得到很好的解决。并且，虽然依托于新材料以及新工艺的运用，可以使电机本体参数受环境和运行工况的影响而变化的程度尽可能降低，但同时也受限于材料以及工艺，导致成本及电机类型适用性方面存在较大问题，很难在工业界普遍推广。
发明内容
本发明实施例针对上述无速度/位置传感控制方案中存在低速性能较差、参数易受工作环境影响的问题，提供一种适用于无传感控制的电机。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种适用于无传感控制的电机，所述电机包括电机主体部和电机辅助部，所述电机主体部包括定子组件、转子组件以及电机轴；所述电机辅助部包括辅助绕组以及辅助永磁体组；所述转子组件和辅助永磁体组分别固定在所述电机轴的轴向的不同位置，且所述定子组件环绕所述转子组件设置，所述辅助绕组环绕所述辅助永磁体组设置。
优选地，所述电机包括控制装置，所述控制装置包括驱动单元、主控单元以及信号采集单元，并由所述驱动单元根据所述主控单元输出的控制信号驱动所述转子组件转动；所述信号采集单元连接到所述辅助绕组，并采集所述辅助绕组的信号；所述主控单元根据所述信号采集单元采集的辅助绕组的信号调整向所述驱动单元输出的控制信号。
优选地，所述辅助永磁体组位于所述转子组件的一端；所述定子组件包括主定子铁芯和绕设在所述主定子铁芯上的主绕组，所述驱动单元通过向所述主绕组输出驱动电压驱动所述转子组件转动；所述电机辅助部包括辅助定子铁芯，所述辅助绕组绕设在所述辅助定子铁芯上，且所述辅助定子铁芯位于所述辅助定子铁芯的轴向的一端。
优选地，所述辅助定子铁芯与所述主定子铁芯一体。
优选地，所述转子组件包括固定在所述电机轴上的主转子铁芯；所述电机辅助部包括固定在所述电机轴上的辅助转子铁芯，且所述辅助永磁体组固定在所述辅助转子铁芯上；所述主转子铁芯和辅助转子铁芯之间通过隔磁件相隔。
优选地，所述辅助绕组为按星形方式连接的三相交流绕组，且每两相交流绕组的相位差为120°。
优选地，所述辅助绕组包括第一绕组、第二绕组以及第三绕组，且所述第一绕组和第二绕组之间的相位差为90°，所述第三绕组在所述电机轴每旋转一圈时输出一个脉冲信号。
优选地，所述转子组件还包括装配到所述主转子铁芯的主转子永磁体组，且所述辅助永磁体组中的永磁体的磁性弱于所述主转子永磁体组中的永磁体的磁性。
优选地，所述转子组件还包括装配到所述主转子铁芯的主转子永磁体组；或者，所述转子组件还包括绕设到所述主转子铁芯上的转子绕组。
优选地，所述电机还包括电机壳，且所述电机主体部、电机辅助部均设置在所述电机壳中。
本发明实施例的适用于无传感控制的电机，通过设置独立于电机主体部的辅助永磁体组和辅助绕组，可在电机主体部运行过程中产生辅助速度/位置信号，使无速度/位置传感控制在低速段更准确，更可靠，从而弥补无速度传感观测器在低速段无法满足应用需求的难点。相较于常规附加速度/位置传感器的方案而言，本发明实施例的设计成本更低，可靠性更高，且应用简单。
附图说明
图1是本发明实施例提供的适用于无传感控制的电机的示意图；
图2是本发明施例提供的适用于无传感控制的电机中辅助定子铁芯的示意图；
图3是本发明施例提供的适用于无传感控制的电机中辅助转子铁芯及辅助永磁体组的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明从电机本体的角度对现有电机进行改进，使得在低速情况下能够为控制装置提供辅助信息以修正转速、角度观测偏差等，特别适用于无速度/位置传感器的场合，尤其适用于低速运行时的精确控制。
如图1-3所示，是本发明实施例提供的适用于无传感控制的电机的示意图，该电机可在无速度/位置传感器提供反馈信号的情况下精确、稳定的运行。本实施例的适用于无速度/位置传感控制的电机包括电机主体部1和电机辅助部2，并通过电机主体部1实现转矩输出，通过电机辅助部2对在电机主体部1的运行参数(例如转速、位置等)进行采集，从而可对电机主体部1的运行进行精确控制。为不增加整机的体积，上述电机辅助部2可具有较小的体积，且该电机辅助部2可位于电机主体部1的尾端(即远离电机主体部1的转矩输出侧的一端)，从而不影响转矩输出。特别地，上述电机还可包括电机壳，且电机主体部、电机辅助部均设置在电机壳中，从而提高整机的集成度，降低成本。
与现有电机类似地，上述电机主体部1包括定子组件11、转子组件12以及电机轴13，并通过上述定子组件11、转子组件12以及电机轴13实现转矩输出。电机辅助部2包括辅助绕组212以及辅助永磁体组221(该辅助永磁体组221可包括多个永磁体)。上述转子组件12和辅助永磁体组221分别固定在电机轴13的轴向的不同位置(例如图1中，转子组件12位于电机轴13的左端，辅助永磁体组221位于电机轴13的右端，且辅助永磁体组221可包括多个永磁体以极性交替排布的方式环绕电机轴13)，且定子组件11环绕转子组件12设置，辅助绕组212环绕辅助永磁体组221设置。
在转子组件12带动电机轴13旋转并输出转矩时，辅助永磁体组221跟随电机轴13转动，且辅助永磁体组221转动的角速度与电机轴13转动的角速度相同。在辅助永磁体组221旋转过程中产生变化的磁场，环绕辅助永磁体组221的辅助绕组212因交变的磁场产生感应电流，上述感应电流包含了电机轴13的旋转特性，通过检测辅助绕组212中的信号(电压和/或电流)即可获知电机轴13以及转子组件12的运行参数，从而便于修正电机主体部1的转速、角度观测偏差等。由于辅助绕组212中无驱动信号，从而不包括功率模块开关产生的谐波，相较于从电机主体部1采集的信号，辅助绕组212中的信号更加精确，特别在电机主体部1的转子组件12低速运行时。
上述适用于无速度/位置传感控制的电机，通过独立于电机主体部1的辅助永磁体组221和辅助绕组212，可在电机主体部1运行过程中产生辅助速度/位置信号，使无速度/位置传感控制在低速段更准确，更可靠，从而弥补无速度传感观测器在低速段无法满足应用需求的难点。并且，相较于现有的速度/位置传感器，上述永磁体组221和辅助绕组212的参数受环境和运行工况的影响较小，抗干扰性更强。
在本发明的一个实施例中，上述适用于无速度/位置传感控制的电机还可包括控制装置，该控制装置包括驱动单元、主控单元以及信号采集单元，并由驱动单元根据主控单元输出的控制信号驱动转子组件转动；信号采集单元连接到辅助绕组，并采集辅助绕组的信号(电压或电流)提供给主控单元，主控单元再根据信号采集单元采集的辅助绕组的信号调整向驱动单元输出的控制信号，以修正电机主体部1的转速、角度观测偏差等。在实际应用中，上述控制装置可集成到电机上，当然控制装置也可独立于电机。
特别地，上述控制装置在进行无速度/位置传感控制时，正常中高速阶段可采用常规速度/位置观测器对转速、角度信息进行观测和反馈控制，而在低速时则可以采用辅助绕组212中信号对转速、角度信息进行观测和反馈控制。当然，在正常中高速阶段，控制装置也可采用辅助绕组212中信号对转速、角度信息进行观测和反馈控制。
在本发明的另一实施例中，上述辅助永磁体组221可位于转子组件12的一端，例如远离电机轴13的输出侧的一端。定子组件11包括主定子铁芯111和绕设在主定子铁芯111上的主绕组112，控制装置的驱动单元通过向主绕组112输出驱动电压驱动转子组件12转动。相应地，电机辅助部2包括用于绕设辅助绕组212的辅助定子铁芯211，且辅助定子铁芯211位于主定子铁芯111的轴向的一端(辅助定子铁芯211与主定子铁芯111同轴)，且辅助定子铁芯211的轴向长度远小于主定子铁芯111的轴向长度。
优选地，上述辅助定子铁芯211可与主定子铁芯111一体，从而便于本实施例的电机的生产制造，节省成本。当然，在实际应用中，辅助定子铁芯211和主定子铁芯111也可相互独立，并在辅助绕组212和主绕组112绕设完成后装配到一起。
上述转子组件12具体可包括固定在电机轴13上的主转子铁芯；电机辅助部2则包括固定在电机轴13上的辅助转子铁芯22，且辅助永磁体组221固定在辅助转子铁芯22上，并且主转子铁芯和辅助转子铁芯22之间通过隔磁件23相隔。上述隔磁件23可采用隔磁材料加工而成，且该隔磁件23可固定在电机轴13上。通过隔磁件23，可避免辅助永磁体组221的磁场对电机主体部1内的磁场产生干扰，使得电机辅助部2不会影响电机主体部1的正常运行。
特别地，在上述电机中，对辅助定子铁芯211的尺寸、结构及定子槽2111的数量等无特殊要求；同样地，对辅助转子铁芯的尺寸、结构及磁极数等也无特殊要求，只要可使辅助绕组212产生感应电流即可。
上述辅助绕组212具体可采用按星形方式连接的三相交流绕组，且每两相交流绕组的相位差为120°，其接法类似常规永磁同步电机。当辅助永磁体组221随电机轴13转动时，其产生的磁场对辅助绕组212进行切割，使得辅助绕组212中产生三相对称电压信号，此电压信号中包含磁场角度的正弦或余弦信息，控制装置的主控单元可通过角度信息提取算法，获取磁场角度信息，同时也可获取转子转速信息，以调整相应的控制量。
此外，上述辅助绕组212还可采用三相直流绕组，即辅助绕组212包括第一绕组(即A绕组)、第二绕组(即B绕组)以及第三绕组(即Z绕组)，且第一绕组和第二绕组之间的相位差为90°，且第三绕组在电机轴每旋转一圈时输出一个脉冲信号，以作为电机轴13转动圈数的校准信号。上述三相直流绕组的电信号类似于ABZ编码器中的ABZ脉冲信号，通过第一绕组和第二绕组的电信号的频率和相位差可获得电机轴13的转速信息以及正反转信息，同时可获得角度信息，通过第三绕组的电信号可对电机轴13的转动圈数进行校准。
在本发明的一个实施例中，上述适用于无速度/位置传感控制的电机可以为永磁同步电机，相应地，转子组件12除了包括主转子铁芯外，还包括装配到主转子铁芯的主转子永磁体组。
与主转子永磁体组不同，辅助永磁体组221产生的磁场并不对电机轴13的转矩输出做出贡献，其作用仅为切割辅助绕组212产生一定强度的辅助电信号，以便于能够从辅助电信号中提取出转速、角度信息，因此辅助永磁体组221中的永磁体的磁性可弱于主转子永磁体组中的永磁体的磁性。例如辅助永磁体组221中的永磁体可采用磁性较弱的永磁体或具有类似功能的低成本低性能永磁体(如铁氧体材料、其他软磁材料等)。
上述适用于无速度/位置传感控制的电机还可以为异步电机、电励磁同步电机等，相应地，转子组件12除了包括主转子铁芯外，还包括绕设到主转子铁芯上的转子绕组。此外，上述适用于无速度/位置传感控制的电机还可以为同步磁阻电机或其他类型电机。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述电机包括电机主体部和电机辅助部，所述电机主体部包括定子组件、转子组件以及电机轴；所述电机辅助部包括辅助绕组以及辅助永磁体组；所述转子组件和辅助永磁体组分别固定在所述电机轴的轴向的不同位置，且所述定子组件环绕所述转子组件设置，所述辅助绕组环绕所述辅助永磁体组设置。
2.根据权利要求1所述的适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述电机包括控制装置，所述控制装置包括驱动单元、主控单元以及信号采集单元，并由所述驱动单元根据所述主控单元输出的控制信号驱动所述转子组件转动；所述信号采集单元连接到所述辅助绕组，并采集所述辅助绕组的信号；所述主控单元根据所述信号采集单元采集的辅助绕组的信号调整向所述驱动单元输出的控制信号。
3.根据权利要求2所述的适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述辅助永磁体组位于所述转子组件的一端；
所述定子组件包括主定子铁芯和绕设在所述主定子铁芯上的主绕组，所述驱动单元通过向所述主绕组输出驱动电压驱动所述转子组件转动；所述电机辅助部包括辅助定子铁芯，所述辅助绕组绕设在所述辅助定子铁芯上，且所述辅助定子铁芯位于所述辅助定子铁芯的轴向的一端。
4.根据权利要求3所述的适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述辅助定子铁芯与所述主定子铁芯一体。
5.根据权利要求1所述的适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述转子组件包括固定在所述电机轴上的主转子铁芯；所述电机辅助部包括固定在所述电机轴上的辅助转子铁芯，且所述辅助永磁体组固定在所述辅助转子铁芯上；所述主转子铁芯和辅助转子铁芯之间通过隔磁件相隔。
6.根据权利要求1所述的适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述辅助绕组为按星形方式连接的三相交流绕组，且每两相交流绕组的相位差为120°。
7.根据权利要求1所述的适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述辅助绕组包括第一绕组、第二绕组以及第三绕组，且所述第一绕组和第二绕组之间的相位差为90°，所述第三绕组在所述电机轴每旋转一圈时输出一个脉冲信号。
8.根据权利要求4所述的适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述转子组件还包括装配到所述主转子铁芯的主转子永磁体组，且所述辅助永磁体组中的永磁体的磁性弱于所述主转子永磁体组中的永磁体的磁性。
9.根据权利要求4所述的适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述转子组件还包括装配到所述主转子铁芯的主转子永磁体组；
或者，所述转子组件还包括绕设到所述主转子铁芯上的转子绕组。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的适用于无传感控制的电机，其特征在于，所述电机还包括电机壳，且所述电机主体部、电机辅助部均设置在所述电机壳中。
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