CN116155012B - 空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法 - Google Patents

空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法，其中电机系统包括：转轴、空气轴承、电机定子、电机转子和径向位移传感器；径向位移传感器设有两组，分别设置于电机转子两侧的转轴外部，径向位移传感器用于检测所述转轴在轴和轴方向的位移；电机定子上设有定子槽，定子槽内设置有电枢绕组，电枢绕组电连接有控制器，电枢绕组根据其极对数平均分为个绕组单元，控制器包括个分别控制所述绕组单元的控制器单元，控制器单元向其对应的绕组单元的输入用于产生电磁阻尼力的阻尼电流分量。本申请的高速电机控制方法及系统可主动提供电磁阻尼，即在高速运行的工况下提供空气轴承稳定运行所需的外部阻尼。

Description

空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其设计一种空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法。
背景技术
高速电机技术目前正在迅速发展，其中高速轴承是制约高速电驱动系统发展的瓶颈问题之一。电机功率和转速的提高会加剧接触式轴承的摩擦，因此大功率高速电机常采用空气轴承作为非接触式支承结构，以满足电机高速、高精、高效、耐高/低温、清洁、长寿命的工作需求。
动压空气轴承（在本文中简称空气轴承）利用旋转轴颈与静止轴承孔间隙内空气的流体动压力为转子提供承载力，结构简单紧凑、可靠性高、制造难度小、成本低，目前广泛应用于中小功率的风机。然而空气轴承无法主动控制轴承阻尼，高速运行不稳定。针对空气轴承高速运行不稳定的问题，业内尝试的方法是使用弹性支承结构为空气轴承提供外部阻尼，然而增加的外部结构较为复杂，涉及的制造工艺也较繁多，制造成本相对较高。
从本体结构设计与优化上来改善空气轴承运行性能同样存在局限性，业界也提出使用电磁手段改善空气轴承的动态特性，例如使用磁气复合轴承、无槽式电机内置电磁阻尼器以及无轴承电机等，然而各自都存在不足：磁气复合轴承设计、制造以及维护更复杂，同时占据了更大的径向或轴向空间；无槽式电机内置电磁阻尼器方案无法适用于有槽电机中，仅适用于功率小的高速电机，适用范围较窄；无轴承电机解耦控制较为复杂和困难，而且电机需同时产生转矩和较大的悬浮力，受制于系统容量，达到的功率有限。
因此，设计一种能够稳定运行的空气轴承支承的大功率高速电机十分必要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法，本申请的高速电机控制方法及系统可主动提供电磁阻尼，即在高速运行的工况下提供空气轴承稳定运行所需的外部阻尼。
第一方面，本申请提出了一种空气轴承支承的高速电机系统，包括：转轴、空气轴承、电机定子、电机转子和径向位移传感器；
所述径向位移传感器设有两组，分别设置于电机转子两侧的转轴外部，所述径向位移传感器用于检测所述转轴在轴和/>轴方向的位移；
所述电机定子上设有定子槽，所述定子槽内设置有电枢绕组，所述电枢绕组电连接有控制器，所述电枢绕组根据其极对数平均分为/>个绕组单元，所述控制器包括/>个分别控制所述绕组单元的控制器单元，所述控制器单元向其对应的绕组单元的输入用于产生电磁阻尼力的阻尼电流分量。
优选的，所述每组径向位移传感器包括两个呈90°夹角设置分别测量转轴在轴和/>轴方向的位移的位移传感器。
优选的，所述转轴外部还设有电机转子位置传感器，所述电机转子位置传感器用于测量电机转子位置角。
第二方面，本申请还提供了一种空气轴承支承的高速电机控制方法，用于控制如上所述的空气轴承支承的高速电机系统，包括步骤如下：
S1：通过径向位移传感器检测并计算电机转轴在轴和/>轴方向的实时运动速度、/>；
S2：通过电机转子位置传感器检测电机转子位置角并计算电机转轴的实时转速；
S3：根据电机转轴的实时运动速度、/>和实时转速/>计算当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力/>、/>；
S4：根据当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、/>计算每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值/>；
S5：根据每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值计算每个绕组单元所需输入的阻尼电流分量/>。
优选的，步骤S1中所述电机转轴在轴和/>轴方向的实时运动速度/>、/>的计算和测量方法包括：通过位于电机转子两侧的两组位移传感器分别测量电机转轴两侧在/>轴和/>轴方向的运动速度/>、/>和/>、/>，对两组运动速度取平均值作为电机转轴轴和/>轴方向的运动速度/>、/>，即
。
优选的，步骤S3中所述的当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、计算方法包括：
S31：实验测量空气轴承在任意转速下对应的动态阻尼系数和动态刚度系数/>；
S32：根据空气轴承的稳定条件，对质量为的转子系统，
，
上式展开得到关于振动频率的特征方程的根实部都小于0，因此在动态刚度系数不变时，可得出抑制振动所需的动态阻尼系数/>，则维持系统稳定所需提供的阻尼系数为
=；
S33：当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、/>计算如下，
，
。
优选的，步骤S4中所述的每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值计算方法包括，根据当前状态下电机转子位置角/>确定各绕组单元对应的空间相位角/>，根据各绕组单元的空间相位角/>和电磁阻尼力/>、/>计算各绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值/>。
优选的，步骤S5中所述的各绕组单元所需输入的阻尼电流分量的计算方法如下：
，
其中为由实验测得的力-电流系数。
优选的，还包括，
S6：将各绕组单元的阻尼电流分量经 Park反变换求得各个绕组单元在静止两相坐标系下的电流/>,/>… ,/>。
优选的，还包括，
S7：将各绕组单元在静止两相坐标系下的电流,/>… ,经Clarke反变换转换为三相坐标系电流/>，/>,… ,，控制器单元将上述三相坐标系电流/>，/>,… ,/>对应的输出至各绕组单元的驱动电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）根据空气轴承固有的动态特性为转轴提供额外的阻尼力，提升空气轴承的高速稳定性，改善系统整体的可靠性，提高系统的极限转速；
（2）与无轴承电机需要全程提供整个转轴所需的电磁支承力不同，本发明是基于空气轴承支承，电机在产生转矩之外仅需提供幅值不大的径向阻尼力，电流的阻尼分量较小，可以在大功率情境下应用；
（3）本发明的技术方案相比磁气混合轴承系统，省去了磁轴承结构，节约了径向或轴向的空间，体积更小，功率密度更高；
（4）本发明复用了电机的电枢绕组，充分利用了电机自身的有效结构，本体硬件结构简单；可以在不修改定子结构的前提下对一台普通电机进行改造，且无需增加逆变器的总容量，成本较低，普适性好；
（5）提供的电磁阻尼力为分块控制，各个绕组单元之间控制相互独立，控制解耦，互相干扰少。
附图说明
图1是本发明实施例的电机系统结构示意图；
图2是本发明实施例的径向位移传感器安装位置示意图；
图3是本发明实施例的电机定子结构示意图；
图4是本发明实施例的电枢绕组结构示意图；
图5是本发明实施例的电枢绕组驱动电路示意图；
图6是本发明实施例的控制模型框图。
图中，10：转轴；11：空气轴承；12：电机定子；13：电枢绕组；14：电机转子；20：径向位移传感器；30：电机转子位置传感器；40：控制器；41：驱动电路；131：第一绕组单元；132：第二绕组单元；133：第三绕组单元。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1、图2所示，一种空气轴承11支承的高速电机系统，包括转轴10、空气轴承11、电机定子12、电机转子14和径向位移传感器20；所述径向位移传感器20设有两组，分别设置于电机转子14两侧的转轴10外部，所述径向位移传感器20用于检测所述转轴10在轴和/>轴方向的位移，每组径向位移传感器20包括两个呈90°夹角设置分别测量转轴10在/>轴和轴方向的位移的位移传感器；所述电机定子12上设有定子槽，所述定子槽内设置有电枢绕组13，所述电枢绕组13电连接有控制器40，所述电枢绕组13根据其极对数/>平均分为/>个绕组单元，所述控制器40包括/>个分别控制所述绕组单元的控制器单元，所述控制器单元向其对应的绕组单元的输入用于产生电磁阻尼力的阻尼电流分量。所述转轴10外部还设有电机转子14位置传感器30，所述电机转子14位置传感器30用于测量电机转子14位置角。
如图3所示，本实施例以定子槽数27，电枢绕组13极对数3的三相电机为例对本发明的技术方案进行说明，定子槽及电枢绕组13被平均分为3个绕组单元，通过改变3个绕组单元中所通电流的阻尼分量来改变磁场分布，电枢电流的阻尼分量体现在中，而旋转分量则为/>。图3还示出了电机的坐标系定义，XY为静止两相坐标系，RST为旋转的三相坐标系，三条坐标轴正方向分别与三个绕组单元产生的径向电磁力正方向一致，R轴与X轴的夹角为绕组单元I产生的径向力/>的空间相位角/>。
如图4、图5所示，本实施例的电机绕组接法为：三个绕组单元的引出线端分布为A1,X1,B1,Y1,C1,Z1、A2,X2,B2,Y2,C2,Z2和A3,X3,B3,Y3,C3,Z3，分别与各自的驱动电路41连接。本实施例的电枢绕组13分为三个绕组单元，分别为第一绕组单元131、第二绕组单元132和第三绕组单元133，每个绕组单元由各自的三相桥式逆变电路驱动。本发明在普通的电机上的应用无需对结构进行改造，但是每个绕组单元之间相互独立，虽然增加了逆变器的数量（每个绕组单元都需要一个），但是整个系统逆变器的总容量几乎不变，从而控制了成本。相比于磁气混合轴承，本发明的电磁阻尼方案不会占用额外的径向或轴向空间，系统体积更小，功率密度更高。
如图6所示，一种空气轴承11支承的高速电机控制方法，用于控制如上所述的空气轴承11支承的高速电机系统，包括步骤如下：
S1：通过径向位移传感器20检测并计算电机转轴10在轴和/>轴方向的实时运动速度/>、/>；电机转轴10在/>轴和/>轴方向的实时运动速度/>、/>的计算和测量方法包括：通过位于电机转子14两侧的两组位移传感器分别测量电机转轴10两侧在/>轴和/>轴方向的运动速度/>、/>和/>、/>，对两组运动速度取平均值作为电机转轴10/>轴和/>轴方向的运动速度/>、/>，即
；
S2：通过电机转子14位置传感器30检测电机转子14位置角并计算电机转轴10的实时转速；
S3：根据电机转轴10的实时运动速度、/>和实时转速/>计算当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力/>、/>；
S4：根据当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、/>计算每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值/>，根据当前状态下电机转子14位置角/>确定各绕组单元对应的空间相位角/>，根据各绕组单元的空间相位角/>和电磁阻尼力/>、/>计算各绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值/>；
S5：根据每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值计算每个绕组单元所需输入的阻尼电流分量/>；阻尼电流分量的计算方法如下：
，
其中为由实验测得的力-电流系数；
S6：将各绕组单元的阻尼电流分量经 Park反变换求得各个绕组单元在静止两相坐标系下的电流/>,/>… ,/>；
S7：将各绕组单元在静止两相坐标系下的电流,/>… ,经Clarke反变换转换为三相坐标系电流/>，/>,… ,/>，控制器单元将上述三相坐标系电流/>，, … ,/>对应的输出至各绕组单元的驱动电路41。
其中，步骤S3中所述的当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、计算方法包括：
S31：实验测量空气轴承11在任意转速下对应的动态阻尼系数和动态刚度系数/>；
S32：根据空气轴承11的稳定条件，对质量为的转子系统，
，
上式展开得到关于振动频率的特征方程的根实部都小于0，因此在动态刚度系数不变时，可得出抑制振动所需的动态阻尼系数/>，则维持系统稳定所需提供的阻尼系数为
=；
S33：当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、/>计算如下，
，
。
在执行上述控制方法前，需要预先经过测试和计算得到径向空气轴承11系统的动态特性参数：测试空气轴承11在不同转速下的动态阻尼系数和动态刚度系数/>，根据空气轴承11稳定性判据，在/>不变的情况下计算抑制振动所需的动态阻尼系数/>，将/>与/>作差，形成不同实测角速度/>下电磁阻尼力提供的阻尼系数/>的表格，以便控制器40进行查表。同样需要经过测试的是不同电机转子14位置角/>下一个单元电机d轴电流分量与产生的径向力之间的幅值与相位关系，形成不同电机转子14位置角/>下径向电磁力d轴电流变换系数/>以及径向阻尼力空间相位角/>的离散表格。
以下结合本实施例的定子槽数27，电枢绕组13极对数3的三相电机为例对步骤S4-S7进一步说明，具体计算步骤是：和/>需要经过电磁力坐标变换得到各个绕组单元的电磁阻尼力/>、/>和/>，如下：
；
各绕组单元的d轴电流,/>如下：
；
给定角速度和实测角速度/>作差，经过转速调节计算得到给定转矩/>。电机控制器40检测某一个绕组单元中的三相电流/>，由/>坐标变换得到实测q轴电流。实测q轴电流/>和永磁磁链/>按/>计算求得反馈转矩值/>。给定转矩/>与反馈转矩值/>作差经转矩调节计算得给定q轴电流/>。/>坐标变换如下（/>为电角度，/>）：
；
经过Park反变换和Clarke反变换，各个绕组单元中三相绕组的给定电流即可得到，经由三个独立的驱动电路41放大后输出至对应的绕组单元中，从而产生电磁阻尼力。
三个绕组单元的Park反变换公式如下：
，
，
；
三个绕组单元的Clarke反变换公式如下：
，
，
，
至此，三个绕组单元的三相电流完全确定。
各绕组单元之间的电磁阻尼力控制相互独立，且旋转电流分量与阻尼电流分量也相互独立，因此从总体上看系统控制解耦，互相干扰少。电磁阻尼力根据空气轴承11固有的动态特性提供了系统稳定所需的阻尼，增强了系统的稳定性与可靠性，这使得空气轴承11的理论极限转速得到相应的提高。
综上所述，本发明实施例的有益效果是：根据空气轴承11固有的动态特性为转轴10提供额外的阻尼力，提升空气轴承11的高速稳定性，改善系统整体的可靠性，提高系统的极限转速；与无轴承电机需要全程提供整个转轴10所需的电磁支承力不同，本发明是基于空气轴承11支承，电机在产生转矩之外仅需提供幅值不大的径向阻尼力，电流的阻尼分量较小，可以在大功率情境下应用；本发明的技术方案相比磁气混合轴承系统，省去了磁轴承结构，节约了径向或轴向的空间，体积更小，功率密度更高；本发明复用了电机的电枢绕组13，充分利用了电机自身的有效结构，本体硬件结构简单；可以在不修改定子结构的前提下对一台普通电机进行改造，且无需增加逆变器的总容量，成本较低，普适性好；提供的电磁阻尼力为分块控制，各个绕组单元之间控制相互独立，控制解耦，互相干扰少。
以上结合具体实施方式描述了本发明的技术方案，但需要说明的是，上述的这些描述只是为了解释本发明的方案，而不能以任何方式解释为对发明保护范围的具体限制。基于此处的解释，本领域的技术人员在不付出创造性劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式或等同替换，都将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空气轴承支承的高速电机系统，其特征在于，包括
转轴、空气轴承、电机定子、电机转子和径向位移传感器；
所述径向位移传感器设有两组，分别设置于电机转子两侧的转轴外部，所述径向位移传感器用于检测所述转轴在轴和/>轴方向的位移；
所述电机定子上设有定子槽，所述定子槽内设置有电枢绕组，所述电枢绕组电连接有控制器，所述电枢绕组根据其极对数平均分为/>个绕组单元，所述控制器包括/>个分别控制所述绕组单元的控制器单元，所述控制器单元向其对应的绕组单元输入用于产生电磁阻尼力的阻尼电流分量。
2.根据权利要求1所述的空气轴承支承的高速电机系统，其特征在于，所述每组径向位移传感器包括两个呈90°夹角设置分别测量转轴在轴和/>轴方向的位移的位移传感器。
3.根据权利要求1所述的空气轴承支承的高速电机系统，其特征在于，所述转轴外部还设有电机转子位置传感器，所述电机转子位置传感器用于测量电机转子位置角。
4.一种空气轴承支承的高速电机控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求3所述的空气轴承支承的高速电机系统，包括步骤如下：
S1：通过径向位移传感器检测并计算电机转轴在轴和/>轴方向的实时运动速度/>、
S2：通过电机转子位置传感器检测电机转子位置角并计算电机转轴的实时转速；
S3：根据电机转轴的实时运动速度、/>和实时转速/>计算当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力/>、/>；
S4：根据当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、/>计算每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值/>；
S5：根据每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值计算每个绕组单元所需输入的阻尼电流分量/>。
5.根据权利要求4所述的空气轴承支承的高速电机控制方法，其特征在于，步骤S1中所述电机转轴在轴和/>轴方向的实时运动速度/>、/>的计算和测量方法包括：通过位于电机转子两侧的两组位移传感器分别测量电机转轴两侧在/>轴和/>轴方向的运动速度、/>和/>、/>，对两组运动速度取平均值作为电机转轴/>轴和/>轴方向的运动速度/>、/>，即
。
6.根据权利要求4所述的空气轴承支承的高速电机控制方法，其特征在于，步骤S3中所述的当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、/>计算方法包括：
S31：实验测量空气轴承在任意转速下对应的动态阻尼系数和动态刚度系数/>；
S32：根据空气轴承的稳定条件，对质量为的转子系统，
上式展开得到关于振动频率的特征方程的根实部都小于0，因此在动态刚度系数不变时，可得出抑制振动所需的动态阻尼系数/>，则维持系统稳定所需提供的阻尼系数为
=；
S33：当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、/>计算如下，
。
7.根据权利要求4所述的空气轴承支承的高速电机控制方法，其特征在于，步骤S4中所述的每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值计算方法包括，根据当前状态下电机转子位置角/>确定各绕组单元对应的空间相位角/>，根据各绕组单元的空间相位角/>和电磁阻尼力/>、/>计算各绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值。
8.根据权利要求4所述的空气轴承支承的高速电机控制方法，其特征在于，步骤S5中所述的各绕组单元所需输入的阻尼电流分量的计算方法如下：
其中为由实验测得的力-电流系数。
9.根据权利要求4所述的空气轴承支承的高速电机控制方法，其特征在于，还包括，
S6：将各绕组单元的阻尼电流分量经 Park反变换求得各个绕组单元在静止两相坐标系下的电流/>,/>… ,/>。
10.根据权利要求4所述的空气轴承支承的高速电机控制方法，其特征在于，还包括，
S7：将各绕组单元在静止两相坐标系下的电流,/>… ,/>经Clarke反变换转换为三相坐标系电流/>，/>,… ,，控制器单元将上述三相坐标系电流/>，/>, … ,/>对应的输出至各绕组单元的驱动电路。
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