CN115986990B - 一种具有径向和轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机及悬浮控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种具有径向和轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机及悬浮控制方法,涉及无轴承电机技术领域,提供一种结构简单,悬浮控制可靠,励磁磁路短,可控制径向悬浮和轴向悬浮的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机方案。无轴承双凸极电机中的定子铁心包括径向定子铁心和轴向定子铁心。径向定子铁心上绕制电枢绕组、X轴悬浮绕组和Y轴悬浮绕组,轴向定子铁心上绕制励磁绕组和Z轴悬浮绕组。励磁绕组产生励磁磁通,励磁磁通流经轴向定子铁心、转子铁心、径向定子铁心,励磁磁路短。Z轴悬浮绕组产生轴向磁通叠加在励磁磁通上使轴向气隙磁通不平衡,从而产生轴向力控制电机转子轴向移动。
Description
技术领域
本发明涉及无轴承电机技术领域,尤其涉及一种具有径向和轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机及悬浮控制方法。
背景技术
无轴承电机是将磁轴承功能和驱动或发电功能集成一体的电机,其具有空间利用率高、结构紧凑的优势,同时无轴承电机具有磁轴承电机的特点,具备无机械磨损、无需润滑、使用寿命长、维护成本低的优势。目前无轴承电机应用较为广泛,主要包括无轴承永磁同步电机、无轴承开关磁阻电机、无轴承电励磁双凸极电机等。
无轴承永磁同步电机具有功率密度高、效率高的优势。然而由于无轴承永磁同步电机的转子由永磁体构成,在高温的工作环境下,转子具有不可逆的退磁的风险,极大的影响了电机的性能。同时由永磁体构成的转子结构强度低,在高速运行下永磁体容易剥落。无轴承开关磁阻电机是在开关磁阻电机的基础上发展而来的,其具有开关磁阻电机的特点。无轴承开关磁阻电机的定转子结构简单,转子既不由永磁体构成,也不缠绕绕组,因此无轴承开关磁阻电机能更好的适应高温高速的工作环境。但是无轴承开关磁阻电机的悬浮控制需要检测转子位置角,控制复杂且成本高。
在无轴承开关磁阻电机的基础上发展而来的无轴承电励磁双凸极电机继承了无轴承开关磁阻电机定转子结构简单,适合高温高速运行的优势。同时由于无轴承电励磁双凸极电机采用单独的励磁绕组进行励磁,因此无轴承电励磁双凸极电机的悬浮控制,具有不依赖转子位置角的检测,控制简单的优点。
传统的无轴承电励磁双凸极电机只能控制径向2自由度(即沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动)悬浮,无法控制转子轴向(即沿Z轴方向移动)悬浮。
发明内容
本发明的实施例提供一种具有径向和轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机及悬浮控制方法,实现了无轴承双凸极电机既能控制径向2自由度(沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动)悬浮,也能控制电机转子轴向(沿Z轴方向移动)悬浮。
为达到上述目的,本发明的实施例采用如下技术方案:
一种具有径向和轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机,所述无轴承双凸极电机的定子由径向定子铁心(1)和轴向定子铁心(2)构成;径向定子铁心(1)为凸极结构,在径向定子铁心(1)的每个定子极上绕有一套电枢线圈,其中,同相的电枢线圈依次串联构成这一相的电枢绕组(4),每相电枢绕组(4)均有两个出线端并通过所述两个出线端与外部转矩控制电路相连;径向定子铁心(1)上每三个定子极绕有一套悬浮线圈,径向相对的悬浮线圈串联构成悬浮绕组,X轴悬浮绕组(6)和Y轴悬浮绕组(7)均由径向相对的两套悬浮线圈串联构成,每套悬浮线圈均有两个接线端;轴向定子铁心(2)为一体环式结构,轴向定子铁心(2)上绕有励磁绕组(5)和Z轴悬浮绕组(8),Z轴悬浮绕组(8)有两个出线端,Z轴悬浮绕组(8)的两个出线端与外部Z轴悬浮控制电路相连;转子铁心(3)也为凸极结构。
在轴向定子铁心(2)上,轴向相对的两套Z轴悬浮线圈串联构成Z轴悬浮绕组(8),其中,每套Z轴悬浮线圈均有两个接线端,分别为第一接线端和第二接线端;第一套Z轴悬浮线圈第一接线端作为Z轴悬浮绕组(8)第一出线端Z+,第一套Z轴悬浮线圈第二接线端与第二套Z轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套Z轴悬浮线圈第二接线端作为Z轴悬浮绕组(8)第二出线端Z-;Z轴悬浮绕组(8)第一出线端Z+和Z轴悬浮绕组(8)第二出线端Z-,都与外部Z轴悬浮控制电路相连。
X轴方向径向相对的两套悬浮线圈串联构成X轴悬浮绕组(6),Y轴方向径向相对的两套悬浮线圈串联构成Y轴悬浮绕组(7);X轴悬浮绕组(6)和Y轴悬浮绕组(7)各自均有两个出线端,X轴悬浮绕组(6)的两个出线端分别与X轴悬浮控制电路相连,Y轴悬浮绕组(7)的两个出线端分别与Y轴悬浮控制电路相连。
第一套X轴悬浮线圈第一接线端作为X轴悬浮绕组(6)第一出线端X+,第一套X轴悬浮线圈第二接线端与第二套X轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套X轴悬浮线圈第二接线端作为X轴悬浮绕组(6)第二出线端X-;第一套Y轴悬浮线圈第一接线端作为Y轴悬浮绕组(7)第一出线端Y+,第一套Y轴悬浮线圈第二接线端与第二套Y轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套Y轴悬浮线圈第二接线端作为Y轴悬浮绕组(7)第二出线端Y-。
轴向相对的两套励磁线圈串联构成励磁绕组(5),每套励磁线圈均有两个接线端;第一套励磁线圈第一接线端作为励磁绕组(5)第一出线端F+,第一套励磁线圈第二接线端与第二套励磁线圈第一接线端相连,第二套励磁线圈第二接线端作为励磁绕组(5)第二出线端F-;励磁绕组(5)第一出线端F+和励磁绕组(5)第二出线端F-与外部励磁控制电路相连。
当励磁绕组(5)产生偏置磁通时,所述偏置磁通的流向依次为:径向定子铁心(1)、第一气隙、转子铁心(3)、第二气隙、轴向定子铁心(2)和径向定子铁心(1);当励磁绕组(5)产生励磁磁通时,径向定子铁心(1)的所有定子极均为同一极性,励磁磁通在单个定子极流通。原有的电励磁双凸极电机的励磁磁路是和别的定子极交链的,本实施例中所有定子极都是同极性,磁通就不会往别的定子极流了,只在单个定子极流通,因此磁路变短了,损耗也就小了。当励磁绕组(5)产生励磁磁通时,Z轴悬浮绕组(8)产生轴向磁通叠加在励磁磁通上,从而增强其中一边气隙的磁通并削弱另一边气隙的磁通。
在径向悬浮控制的过程中,包括:
通过安装在无轴承双凸极电机端盖上的X轴方向的径向位移传感器,检测所述无轴承双凸极电机的转子的径向位置,得到所述无轴承双凸极电机的转子在X轴方向上的实际位置;同时,通过安装在无轴承双凸极电机端盖上的Y轴方向的径向位移传感器,检测所述无轴承双凸极电机的转子的径向位置,得到所述无轴承双凸极电机的转子在Y轴方向上的实际位置,其中,其中,X轴与Y轴相互正交;
通过电流检测单元,分别检测所述无轴承双凸极电机的X轴悬浮绕组(6)电流反馈值和Y轴悬浮绕组(7)电流反馈值;
计算预设的所述无轴承双凸极电机在X轴方向参考位移与所述X轴方向转子实际位移的差值,并将所得差值经过X轴位移调节环节,得到X轴悬浮绕组(6)的电流参考值;同时,计算预设的所述无轴承双凸极电机在Y轴方向参考位移与所述Y轴方向转子实际位移的差值,并将所得差值经过Y轴位移调节环节,得到Y轴悬浮绕组(7)的电流参考值;
将X轴悬浮绕组(6)电流参考值与X轴悬浮绕组(6)电流反馈值的差值,经过X轴悬浮电流调节环节,得到X轴悬浮控制电路的占空比信号;同时,将Y轴悬浮绕组(7)电流参考值与Y轴悬浮绕组(7)电流反馈值的差值,经过Y轴悬浮电流调节环节,得到Y轴悬浮控制电路的占空比信号;
在轴向悬浮控制的过程中,包括:
通过安装在所述无轴承双凸极电机端盖上的Z轴方向的轴向位移传感器,检测所述无轴承双凸极电机的转子的轴向位置,得到所述无轴承双凸极电机的转子在Z轴方向上的实际位置;
计算预设的所述无轴承双凸极电机在Z轴方向参考位移与所述Z轴方向转子实际位移的差值,并将所得差值经过Z轴位移调节环节,得到Z轴悬浮绕组(8)的电流参考值;
将Z轴悬浮绕组(8)电流参考值与Z轴悬浮绕组(8)电流反馈值的差值,经过Z轴悬浮电流调节环节,得到Z轴悬浮控制电路的占空比信号。
本发明实施例提供的具有径向和轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机及悬浮控制方法,定子铁心包括径向定子铁心和轴向定子铁心。径向定子铁心上绕制电枢绕组、X轴悬浮绕组和Y轴悬浮绕组,轴向定子铁心上绕制励磁绕组和Z轴悬浮绕组。励磁绕组产生励磁磁通,励磁磁通流经轴向定子铁心、转子铁心、径向定子铁心,励磁磁路短。Z轴悬浮绕组产生轴向磁通叠加在励磁磁通上使轴向气隙磁通不平衡,从而产生轴向力控制电机转子轴向移动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机3D结构剖视图;
图2为本发明实施例提供的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机2D结构剖视图(正视);
图3为本发明实施例提供的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机2D结构剖视图(右视);
图4为本发明实施例提供的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机电枢绕组和径向悬浮绕组连接端示意图;
图5为本发明实施例提供的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机励磁绕组和轴向悬浮绕组连接端示意图;
图6为本发明实施例提供的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机励磁磁通流向示意图;
图7为本发明实施例提供的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机X轴悬浮控制电路、Y轴悬浮控制电路和Z轴悬浮控制电路示意图;
图8为本发明实施例提供的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机的径向悬浮控制原理框图;
图9为本发明实施例提供的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机的轴向悬浮控制原理框图;
附图中的各个标号分别表示:1-径向定子铁心、2-轴向定子铁心、3-转子铁心、4-电枢绕组、5-励磁绕组、6-X轴悬浮绕组、7-Y轴悬浮绕组、8-Z轴悬浮绕组。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本实施例提供一种具有径向和轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机,其结构如图1至图3所示,所述电机包括:定子铁心、转子铁心(3)、电枢绕组(4)、励磁绕组(5)、X轴悬浮绕组(6)、Y轴悬浮绕组(7)、Z轴悬浮绕组(8)。所述定子铁心包括:径向定子铁心(1)和轴向定子铁心(2)。
所述电机的转子由转子铁心(3)构成,转子铁心(3)为凸极结构。转子铁心(3)采用整块导磁材料构成,磁通可经转子铁心(3)径向流通和轴向流通。
所述电机的定子由定子铁心构成,定子铁心包括径向定子铁心(1)和轴向定子铁心(2)。径向定子铁心(1)包括若干定子极,径向定子铁心(1)为凸极结构。
具体的:
每个径向定子铁心(1)的定子极绕有电枢线圈,电枢线圈按照图4所示的接线方式依次连接构成所述电机的电枢绕组(4)。电枢绕组(4)每相由四套电枢线圈构成,每套电枢线圈均有两个接线端,分别为第一接线端和第二接线端。以A相电枢绕组为例,第一套A相电枢线圈第一接线端作为A相电枢绕组第一出线端A+,第一套A相电枢线圈第二接线端与第二套A相电枢线圈第一接线端相连,第二套A相电枢线圈第二接线端与第三套A相电枢线圈第一接线端相连,第三套A相电枢线圈第二接线端与第四套A相电枢线圈第一接线端相连,第四套A相电枢线圈第二接线端作为A相电枢绕组第二出线端A-。A相电枢绕组第一出线端A+和A相电枢绕组第二出线端A-与外部转矩控制电路相连。B相电枢绕组和C相电枢绕组的接线方式与A相电枢绕组相同。其中,B相电枢绕组的出线端分别为B相电枢绕组第一出线端B+和B相电枢绕组第二出线端B-;C相电枢绕组的出线端分别为C相电枢绕组第一出线端C+和C相电枢绕组第二出线端C-。B相电枢绕组第一出线端B+和B相电枢绕组第二出线端B-与外部转矩控制电路相连。C相电枢绕组第一出线端C+和C相电枢绕组第二出线端C-与外部转矩控制电路相连。
径向定子铁心(1)上布置有用于控制电机X轴方向悬浮的X轴悬浮绕组(6)和用于控制电机Y轴方向悬浮的Y轴悬浮绕组(7)。X轴悬浮线圈按照图4所示的接线方式依次连接构成所述电机的X轴悬浮绕组(6)。X轴悬浮绕组(6)由两套X轴悬浮线圈构成,每三个径向定子铁心(1)的定子极布置有一套X轴悬浮线圈,两套X轴悬浮线圈径向相对,每套X轴悬浮线圈有两个接线端,分别为第一接线端和第二接线端。第一套X轴悬浮线圈第一接线端作为X轴悬浮绕组(6)第一出线端X+,第一套X轴悬浮线圈第二接线端与第二套X轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套X轴悬浮线圈第二接线端作为X轴悬浮绕组(6)的第二出线端X-。X轴悬浮绕组(6)第一出线端X+和X轴悬浮绕组(6)第二出线端X-与外部X轴悬浮控制电路相连。
X轴悬浮控制电路的结构如图7所示。X轴悬浮控制电路为全桥逆变电路,具体来说,X轴悬浮控制电路中MOSFET开关管Q1与MOSFET开关管Q2串联,MOSFET开关管Q3与MOSFET开关管Q4串联,MOSFET开关管Q1和MOSFET开关管Q3的漏极与直流电压源US1的正极相连,MOSFET开关管Q2和MOSFET开关管Q4的源极与直流电压源US1的负极相连,X轴悬浮绕组(6)的出线端X+、X-分别与MOSFET开关管Q1的源极、MOSFET开关管Q3的源极相连。
Y轴悬浮线圈按照图4所示的接线方式依次连接构成所述电机的Y轴悬浮绕组(7)。Y轴悬浮绕组(7)由两套Y轴悬浮线圈构成,每三个径向定子铁心(1)的定子极布置有一套Y轴悬浮线圈,两套Y轴悬浮线圈径向相对,每套Y轴悬浮线圈有两个接线端,分别为第一接线端和第二接线端。第一套Y轴悬浮线圈第一接线端作为Y轴悬浮绕组(7)第一出线端Y+,第一套Y轴悬浮线圈第二接线端与第二套Y轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套Y轴悬浮线圈第二接线端作为Y轴悬浮绕组(7)第二出线端Y-。Y轴悬浮绕组(7)第一出线端Y+和Y轴悬浮绕组(7)第二出线端Y-与外部Y轴悬浮控制电路相连。
Y轴悬浮控制电路的结构如图7所示。Y轴悬浮控制电路为全桥逆变电路,具体来说,Y轴悬浮控制电路中MOSFET开关管Q5与MOSFET开关管Q6串联,MOSFET开关管Q7与MOSFET开关管Q8串联,MOSFET开关管Q5和MOSFET开关管Q7的漏极与直流电压源US2的正极相连,MOSFET开关管Q6和MOSFET开关管Q8的源极与直流电压源US2的负极相连,Y轴悬浮绕组(7)的出线端Y+、Y-分别与MOSFET开关管Q5的源极、MOSFET开关管Q7的源极相连。
轴向定子铁心(2)为一体环式结构,包括前轴向定子铁心和后轴向定子铁心,前轴向定子铁心与后轴向定子铁心均绕有励磁绕组(5)和Z轴悬浮绕组(8)。
励磁线圈按照图5所示的接线方式依次连接构成所述电机的励磁绕组(5)。5励磁绕组(5)由两套励磁线圈构成,前轴向定子铁心和后轴向定子铁心分别绕有一套励磁线圈,两套励磁线圈轴向相对。每套励磁线圈均有两个接线端,分别为第一接线端和第二接线端。第一套励磁线圈第一接线端作为励磁绕组(5)第一出线端F+,第一套励磁线圈第二接线端与第二套励磁线圈第一接线端相连,
第二套励磁线圈第二接线端作为励磁绕组(5)第二出线端F-。励磁绕组(5)0第一出线端F+和励磁绕组(5)第二出线端F-与外部励磁控制电路相连。
励磁磁通的流向如图6所示,励磁磁通经过径向定子铁心(1)-气隙-转子铁心(3)-气隙-轴向定子铁心(2)-径向定子铁心(1)形成闭环。径向定子铁心(1)中的所有定子极均为同极性,因此不同定子极的励磁磁通相互独立,不相互干涉。同时所述电机的励磁磁路短,励磁效率高,铁心损耗低。
5Z轴悬浮线圈按照图5所示的接线方式依次连接构成所述电机的Z轴悬浮绕组(8)。Z轴悬浮绕组(8)由两套Z轴悬浮线圈构成,前轴向定子铁心和后轴向定子铁心分别绕有一套Z轴悬浮线圈,两套Z轴悬浮线圈轴向相对。每套Z轴悬浮线圈均有两个接线端,分别为第一接线端和第二接线端。第一套Z轴
悬浮线圈第一接线端作为Z轴悬浮绕组(8)第一出线端Z+,第一套Z轴悬浮0线圈第二接线端与第二套Z轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套Z轴悬浮线圈第二接线端作为Z轴悬浮绕组(8)第二出线端Z-。Z轴悬浮绕组(8)第一出线端Z+和Z轴悬浮绕组(8)第二出线端Z-与外部Z轴悬浮控制电路相连。
Z轴悬浮控制电路的结构如图7所示。Z轴悬浮控制电路为全桥逆变电路,具体来说,Z轴悬浮控制电路中MOSFET开关管Q9与MOSFET开关管Q10串联,MOSFET开关管Q11与MOSFET开关管Q12串联,MOSFET开关管Q9和MOSFET开关管Q11的漏极与直流电压源US3的正极相连,MOSFET开关管Q10和MOSFET开关管Q12的源极与直流电压源US3的负极相连,Z轴悬浮绕组(8)的出线端Z+、Z-分别与MOSFET开关管Q9的源极、MOSFET开关管Q11的源极相连。
Z轴悬浮绕组(8)产生的磁通叠加在励磁磁通上,增强单边气隙磁通,削弱另一边气隙磁通,导致前后气隙磁通不平衡,从而产生一个轴向力控制电机转子铁心(3)沿Z轴方向移动。
基于所述具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机,本实施例还提供了一种具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机的控制方法,其具体控制原理框图如图8、图9所示。
所述电机的径向悬浮控制方法如图8所示。
具体的:
通过安装在电机端盖上的X轴方向的径向位移传感器,检测所述电机的转子的径向位置,得到X轴方向转子实际位移ΔX。
通过安装在电机端盖上的Y轴方向的径向位移传感器,检测所述电机的转子的径向位置,得到Y轴方向转子实际位移ΔY,其中,X轴与Y轴相互正交。
通过电流检测单元,分别检测所述电机的X轴悬浮绕组(6)电流反馈值iX和Y轴悬浮绕组(7)电流反馈值iY。
将预设的所述电机在X轴方向参考位移X*与所述X轴方向转子实际位移ΔX的差值,经过X轴位移调节环节,得到X轴悬浮绕组(6)的电流参考值iX*。
将预设的所述电机在Y轴方向参考位移Y*与所述Y轴方向转子实际位移ΔY的差值,经过Y轴位移调节环节,得到Y轴悬浮绕组(7)的电流参考值iY*。
将X轴悬浮绕组(6)电流参考值iX*与X轴悬浮绕组(7)电流反馈值iX的差值,经过X轴悬浮电流调节环节,得到X轴悬浮控制电路的占空比信号D1。
将Y轴悬浮绕组(6)电流参考值iY*与Y轴悬浮绕组(7)电流反馈值iY的差值,经过Y轴悬浮电流调节环节,得到Y轴悬浮控制电路的占空比信号D2。
通过调节所述X轴悬浮控制电路和所述Y轴悬浮控制电路的开关管占空比,调节X轴悬浮绕组(6)电流和Y轴悬浮绕组(7)电流。从而实现X轴悬浮绕组(6)电流跟踪其参考值,实现Y轴悬浮绕组(7)电流跟踪其参考值,达到控制径向悬浮力的目的。
其中,所述X轴位移调节环节为比例-积分-微分PID控制为比例-积分-微分(PID)控制。所述Y轴位移调节环节为比例-积分-微分PID控制为比例-积分-微分(PID)控制。所述X轴悬浮电流调节环节为比例-积分(PI)控制。所述Y轴悬浮电流调节环节为比例-积分(PI)控制。
所述电机的轴向控制方法如图9所示。
具体的:
通过安装在电机端盖上的Z轴方向的轴向位移传感器,检测所述电机的转子的轴向位置,得到Z轴方向转子实际位移ΔZ。
通过电流检测单元,检测所述电机的Z轴悬浮绕组(8)电流反馈值Iz。
将预设的所述电机在Z轴方向参考位移Z*与所述Z轴方向转子实际位移ΔZ的差值,经过Z轴位移调节环节,得到Z轴悬浮绕组(8)的电流参考值iZ*。
将Z轴悬浮绕组(8)电流参考值iZ*与Z轴悬浮绕组(8)电流反馈值iZ的差值,经过Z轴悬浮电流调节环节,得到Z轴悬浮控制电路的占空比信号D3。
通过调节所述Z轴悬浮控制电路的开关管占空比,调节Z轴悬浮绕组(8)电流,从而实现Z轴悬浮绕组(8)电流跟踪其参考值,达到控制轴向悬浮力的目的。同理,可以通过调节占空比信号D1、D2来调节X轴悬浮绕组(6)的电流和Y轴悬浮绕组(7)的电流。
其中,所述Z轴位移调节环节为比例-积分-微分PID控制为比例-积分-微分(PID)控制。所述Z轴悬浮电流调节环节为比例-积分(PI)控制。
本发明实施例所要解决的技术问题主要是传统无轴承电励磁双凸极电机只能控制径向2自由度(沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动)悬浮,无法控制轴向(沿Z轴方向移动)悬浮,悬浮控制精度低的不足,提供一种悬浮控制简单、运行可靠、能同时控制径向2自由度(沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动)悬浮与轴向(沿Z轴方向移动)悬浮的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机及其悬浮控制方法。
与现有技术相比,本实施例提供的方案至少具有以下优点:
具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机采用电励磁绕组励磁,而不是永磁励磁,消除了永磁体高温退磁的风险,同时可以通过改变励磁绕组电流控制励磁强度,调节方便。
具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机励磁磁路短,励磁效率高,铁心损耗小。
具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机不仅能控制径向2自由度(沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动)悬浮,同时也能控制轴向(沿Z轴方向移动)悬浮,悬浮控制精度高,电机运行更加可靠。
具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机与传统无轴承电励磁双凸极电机一样,转子铁心(3)上无绕组缠绕和永磁体,适合高温高速运行。
本实施例针对传统无轴承电励磁双凸极电机只能控制径向2自由度(沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动)悬浮、无法控制轴向(沿Z轴方向移动)悬浮、以及悬浮控制精度低的不足的问题,提供一种悬浮控制简单、运行可靠、能同时控制径向2自由度(沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动)悬浮与轴向(沿Z轴方向移动)悬浮的具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机及其悬浮控制方法。
与现有技术相比,本实施例提供的方案至少具有以下优点:具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机采用电励磁绕组励磁,而不是永磁励磁,消除了永磁体高温退磁的风险,同时可以通过改变励磁绕组电流控制励磁强度,调节方便;具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机励磁磁路短,励磁效率高,铁心损耗小;具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机不仅能控制径向2自由度(沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动)悬浮,同时也能控制轴向(沿Z轴方向移动)悬浮,悬浮控制精度高,电机运行更加可靠;具有径/轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机与传统无轴承电励磁双凸极电机一样,转子铁心(3)上无绕组缠绕和永磁体,适合高温高速运行;所述电机通过在传统无轴承双凸极的基础上增加一套Z轴悬浮绕组,使所述电机既能控制径向2自由度(沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动)悬浮,也能控制轴向(沿Z轴方向移动)悬浮,提高了电机悬浮控制的精度;所述电机通过改变励磁绕组绕制方式,使所有定子极均为同极性,使得励磁磁通仅在单个定子极流通,缩短了励磁磁路,提高了励磁效率,降低了铁心损耗。并且整个电机定转子结构简单,易于生产加工,也由于其结构简单因此在实际运行时可靠性高,尤其是,本实施例中电机转子既不由永磁体构成也无线圈缠绕,适合高温高速的工作环境。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于设备实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述得比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述,仅为本发明的具体实施方式,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 (7)
1.一种具有径向和轴向悬浮功能的无轴承双凸极电机,其特征在于,包括:所述无轴承双凸极电机的定子由径向定子铁心(1)和轴向定子铁心(2)构成;
径向定子铁心(1)为凸极结构,在径向定子铁心(1)的每个定子极上绕有一套电枢线圈,其中,同相的电枢线圈依次串联构成这一相的电枢绕组(4),每相电枢绕组(4)均有两个出线端并通过所述两个出线端与外部转矩控制电路相连;
径向定子铁心(1)上每三个定子极绕有一套悬浮线圈,径向相对的悬浮线圈串联构成悬浮绕组,X轴悬浮绕组(6)和Y轴悬浮绕组(7)均由径向相对的两套悬浮线圈串联构成,每套悬浮线圈均有两个接线端;
轴向定子铁心(2)为一体环式结构,轴向定子铁心(2)上绕有励磁绕组(5)和Z轴悬浮绕组(8),Z轴悬浮绕组(8)有两个出线端,Z轴悬浮绕组(8)的两个出线端与外部Z轴悬浮控制电路相连;
转子铁心(3)也为凸极结构;
励磁绕组(5)由两套励磁线圈构成,前轴向定子铁心和后轴向定子铁心分别绕有一套励磁线圈,两套励磁线圈轴向相对,每套励磁线圈均有两个接线端;第一套励磁线圈第一接线端作为励磁绕组(5)第一出线端F+,第一套励磁线圈第二接线端与第二套励磁线圈第一接线端相连,第二套励磁线圈第二接线端作为励磁绕组(5)第二出线端F-;励磁绕组(5)第一出线端F+和励磁绕组(5)第二出线端F-与外部励磁控制电路相连;
当励磁绕组(5)产生偏置磁通时,所述偏置磁通的流向依次为:径向定子铁心(1)、第一气隙、转子铁心(3)、第二气隙、轴向定子铁心(2)和径向定子铁心(1);当励磁绕组(5)产生励磁磁通时,径向定子铁心(1)的所有定子极均为同一极性,励磁磁通在单个定子极流通;当励磁绕组(5)产生励磁磁通时,Z轴悬浮绕组(8)产生轴向磁通叠加在励磁磁通上,从而增强其中一边气隙的磁通并削弱另一边气隙的磁通,导致前后气隙磁通不平衡,从而产生一个轴向力控制电机转子铁心(3)沿Z轴方向移动;
Z轴悬浮绕组(8)由两套Z轴悬浮线圈构成,前轴向定子铁心和后轴向定子铁心分别绕有一套Z轴悬浮线圈,两套Z轴悬浮线圈轴向相对;每套Z轴悬浮线圈均有两个接线端,分别为第一接线端和第二接线端;第一套Z轴悬浮线圈第一接线端作为Z轴悬浮绕组(8)第一出线端Z+,第一套Z轴悬浮线圈第二接线端与第二套Z轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套Z轴悬浮线圈第二接线端作为Z轴悬浮绕组(8)第二出线端Z-;Z轴悬浮绕组(8)第一出线端Z+和Z轴悬浮绕组(8)第二出线端Z-与外部Z轴悬浮控制电路相连;
Z轴悬浮控制电路为全桥逆变电路,其中MOSFET开关管Q9与MOSFET开关管Q10串联,MOSFET开关管Q11与MOSFET开关管Q12串联,MOSFET开关管Q9和MOSFET开关管Q11的漏极与直流电压源US3的正极相连,MOSFET开关管Q10和MOSFET开关管Q12的源极与直流电压源US3的负极相连,Z轴悬浮绕组(8)的出线端Z+、Z-分别与MOSFET开关管Q9的源极、MOSFET开关管Q11的源极相连。
2.根据权利要求1所述的无轴承双凸极电机,其特征在于,X轴方向径向相对的两套悬浮线圈串联构成X轴悬浮绕组(6),Y轴方向径向相对的两套悬浮线圈串联构成Y轴悬浮绕组(7);
X轴悬浮绕组(6)和Y轴悬浮绕组(7)各自均有两个出线端,X轴悬浮绕组(6)的两个出线端分别与X轴悬浮控制电路相连,Y轴悬浮绕组(7)的两个出线端分别与Y轴悬浮控制电路相连。
3.根据权利要求2所述的无轴承双凸极电机,其特征在于,第一套X轴悬浮线圈第一接线端作为X轴悬浮绕组(6)第一出线端X+,第一套X轴悬浮线圈第二接线端与第二套X轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套X轴悬浮线圈第二接线端作为X轴悬浮绕组(6)第二出线端X-;
第一套Y轴悬浮线圈第一接线端作为Y轴悬浮绕组(7)第一出线端Y+,第一套Y轴悬浮线圈第二接线端与第二套Y轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套Y轴悬浮线圈第二接线端作为Y轴悬浮绕组(7)第二出线端Y-。
4.根据权利要求1所述的无轴承双凸极电机,其特征在于,转子铁心(3)位于径向定子铁心(1)和轴向定子铁心(2)内部。
5.根据权利要求3所述的无轴承双凸极电机,其特征在于, 所述X轴悬浮控制电路、所述Y轴悬浮控制电路和所述Z轴悬浮控制电路均采用全桥逆变电路。
6.一种悬浮控制方法,其特征在于,在径向悬浮控制的过程中,包括:
通过安装在无轴承双凸极电机端盖上的X轴方向的径向位移传感器,检测所述无轴承双凸极电机的转子的径向位置,得到所述无轴承双凸极电机的转子在X轴方向上的实际位置;同时,通过安装在无轴承双凸极电机端盖上的Y轴方向的径向位移传感器,检测所述无轴承双凸极电机的转子的径向位置,得到所述无轴承双凸极电机的转子在Y轴方向上的实际位置,其中,其中,X轴与Y轴相互正交;
通过电流检测单元,分别检测所述无轴承双凸极电机的X轴悬浮绕组(6)电流反馈值和Y轴悬浮绕组(7)电流反馈值;
计算预设的所述无轴承双凸极电机在X轴方向参考位移与所述X轴方向转子实际位移的差值,并将所得差值经过X轴位移调节环节,得到X轴悬浮绕组(6)的电流参考值;同时,计算预设的所述无轴承双凸极电机在Y轴方向参考位移与所述Y轴方向转子实际位移的差值,并将所得差值经过Y轴位移调节环节,得到Y轴悬浮绕组(7)的电流参考值;
将X轴悬浮绕组(6)电流参考值与X轴悬浮绕组(6)电流反馈值的差值,经过X轴悬浮电流调节环节,得到X轴悬浮控制电路的占空比信号;同时,将Y轴悬浮绕组(7)电流参考值与Y轴悬浮绕组(7)电流反馈值的差值,经过Y轴悬浮电流调节环节,得到Y轴悬浮控制电路的占空比信号;
在轴向悬浮控制的过程中,包括:
通过安装在所述无轴承双凸极电机端盖上的Z轴方向的轴向位移传感器,检测所述无轴承双凸极电机的转子的轴向位置,得到所述无轴承双凸极电机的转子在Z轴方向上的实际位置;
计算预设的所述无轴承双凸极电机在Z轴方向参考位移与所述Z轴方向转子实际位移的差值,并将所得差值经过Z轴位移调节环节,得到Z轴悬浮绕组(8)的电流参考值;
将Z轴悬浮绕组(8)电流参考值与Z轴悬浮绕组(8)电流反馈值的差值,经过Z轴悬浮电流调节环节,得到Z轴悬浮控制电路的占空比信号;
其中,轴向定子铁心(2)为一体环式结构,轴向定子铁心(2)上绕有励磁绕组(5)和Z轴悬浮绕组(8),Z轴悬浮绕组(8)有两个出线端,Z轴悬浮绕组(8)的两个出线端与外部Z轴悬浮控制电路相连;
励磁绕组(5)由两套励磁线圈构成,前轴向定子铁心和后轴向定子铁心分别绕有一套励磁线圈,两套励磁线圈轴向相对,每套励磁线圈均有两个接线端;第一套励磁线圈第一接线端作为励磁绕组(5)第一出线端F+,第一套励磁线圈第二接线端与第二套励磁线圈第一接线端相连,第二套励磁线圈第二接线端作为励磁绕组(5)第二出线端F-;励磁绕组(5)第一出线端F+和励磁绕组(5)第二出线端F-与外部励磁控制电路相连;
当励磁绕组(5)产生偏置磁通时,所述偏置磁通的流向依次为:径向定子铁心(1)、第一气隙、转子铁心(3)、第二气隙、轴向定子铁心(2)和径向定子铁心(1);当励磁绕组(5)产生励磁磁通时,径向定子铁心(1)的所有定子极均为同一极性,励磁磁通在单个定子极流通;当励磁绕组(5)产生励磁磁通时,Z轴悬浮绕组(8)产生轴向磁通叠加在励磁磁通上,从而增强其中一边气隙的磁通并削弱另一边气隙的磁通,导致前后气隙磁通不平衡,从而产生一个轴向力控制电机转子铁心(3)沿Z轴方向移动;
Z轴悬浮绕组(8)由两套Z轴悬浮线圈构成,前轴向定子铁心和后轴向定子铁心分别绕有一套Z轴悬浮线圈,两套Z轴悬浮线圈轴向相对;每套Z轴悬浮线圈均有两个接线端,分别为第一接线端和第二接线端;第一套Z轴悬浮线圈第一接线端作为Z轴悬浮绕组(8)第一出线端Z+,第一套Z轴悬浮线圈第二接线端与第二套Z轴悬浮线圈第一接线端相连,第二套Z轴悬浮线圈第二接线端作为Z轴悬浮绕组(8)第二出线端Z-;Z轴悬浮绕组(8)第一出线端Z+和Z轴悬浮绕组(8)第二出线端Z-与外部Z轴悬浮控制电路相连;
Z轴悬浮控制电路为全桥逆变电路,其中MOSFET开关管Q9与MOSFET开关管Q10串联,MOSFET开关管Q11与MOSFET开关管Q12串联,MOSFET开关管Q9和MOSFET开关管Q11的漏极与直流电压源US3的正极相连,MOSFET开关管Q10和MOSFET开关管Q12的源极与直流电压源US3的负极相连,Z轴悬浮绕组(8)的出线端Z+、Z-分别与MOSFET开关管Q9的源极、MOSFET开关管Q11的源极相连。
7.根据权利要求6所述的悬浮控制方法,其特征在于,所述X轴位移调节环节采用比例-积分-微分(PID)控制的方式;
所述Y轴位移调节环节采用比例-积分-微分(PID)控制的方式;
所述Z轴位移调节环节采用比例-积分-微分(PID)控制的方式;
所述X轴悬浮电流调节环节采用比例-积分(PI)控制的方式;
所述Y轴悬浮电流调节环节采用比例-积分(PI)控制的方式;
所述Z轴悬浮电流调节环节采用比例-积分(PI)控制的方式。
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