CN116155163B - 空气轴承支承的定子双绕组高速电机控制方法及系统 - Google Patents

空气轴承支承的定子双绕组高速电机控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气轴承支承的定子双绕组高速电机控制方法及系统，控制方法包括：S1，检测电机转子位置角并计算电机转子转速；S2，检测电机转子的偏心距离并计算电机转子的径向偏心速度；S3，基于维持系统稳定状态时的阻尼系数与转速对应关系确定当前工况下维持系统稳定运行所需的总阻尼系数；S4，计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力；S5，计算当前工况下需对阻尼绕组输出的电流幅值和相位；S6，对阻尼绕组输出对应幅值和相位的电流。本发明的控制方法通过阻尼绕组为系统提供电磁阻尼力，改善空气轴承的运行条件，使系统更加稳定。

Description

空气轴承支承的定子双绕组高速电机控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种空气轴承支承的定子双绕组高速电机控制方法及系统。
背景技术
轴承是限制大功率高速电机发展的关键问题，传统的接触式机械轴承在转子高速运行时产生大量的热，系统损耗大、稳定性降低。因此大功率高速电机中常采用动压空气轴承（以下简称空气轴承）这种非接触式支承结构，来满足高速电机的各项工作需求。
空气轴承结构简单紧凑、可靠性高、制造难度小、成本低；运行时摩擦小、转速高、适用温度范围广。因此，空气轴承广泛应用于中小功率的风机、空压机领域。但是，空气轴承一个显著的局限性在于：轴承阻尼大小无法主动控制，高速运行不稳定。
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能够稳定运行的空气轴承支承的定子双绕组大功率高速电机系统及其控制方法。
第一方面，为实现上述发明目的，本发明提供了一种空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统的控制方法，包括步骤如下：
S1：检测电机转子位置角并计算电机转子转速；
S2：检测电机转子的偏心距离并计算电机转子的径向偏心速度；
S3：基于维持系统稳定状态时的阻尼系数与转速对应关系确定当前工况下维持系统稳定运行所需的总阻尼系数；
S4：计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力；
S5：计算当前工况下需对阻尼绕组输出的电流幅值和相位；
S6：对阻尼绕组输出对应幅值和相位的电流。
优选的，所述步骤S4中维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力的计算方法包括：
S41：计算当前工况下空气轴承自身产生的阻尼力、/>，
，
，
其中，表示为空气轴承动态阻尼系数；
S42：计算当前工况下维持系统稳定运行所需的总阻尼力、/>，
，
；
S43：计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力、，
，
。
优选的，步骤S4中维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力的计算方法还包括：
S44：计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力幅值和相位/>，
，
。
优选的，步骤S5中所述的当前工况下需对阻尼绕组输出的电流相位确定方法包括：
S51：检测电机转子磁链位置电角度；
S52：以所述电机转子磁链位置电角度为阻尼绕组电流的相位参考值计算阻尼绕组的相位/>，
，
若阻尼绕组极对数大于电枢绕组极对数时，上式取正号；若阻尼绕组极对数小于电枢绕组极对数时，上式取负号。
优选的，步骤S5还包括，
S53：计算当前工况下需对阻尼绕组输出的电流幅值，
，
其中，为阻尼绕组的力-电流系数，所述力-电流系数基于阻尼绕组匝数和永磁体剩磁确定。
第二方面，基于上述发明目的，本申请还提供了一种空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统，包括：
空气轴承、转轴、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置在电机定子两侧的转轴上方，所述径向位移传感器用于测量电机转子偏心距离；
所述电机定子包括定子铁心、电枢绕组和阻尼绕组；所述阻尼绕组电连接有一阻尼绕组控制器，所述阻尼绕组控制器用于执行如上任一项中所述的控制方法。
优选的，所述电枢绕组和所述阻尼绕组的极对数不相同。
优选的，所述径向位移传感器包括对称设置在电机定子两侧转轴上的两组位移传感器，所述每组位移传感器包括呈90°夹角设置的两个位移传感器。
优选的，所述转轴上还设有电机转子位置传感器。
优选的，所述电机定子由硅钢片叠压而成，所述电机定子上设置有安装电枢绕组和阻尼绕组的安装槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
系统高速运行时，阻尼绕组控制器可以利用径向位移传感器检测电机转子径向位移并计算径向偏心速度、利用电机转子位置传感器检测电机转子位置角并计算电机转子转速等实时参数，解算出需要的阻尼电流并通入阻尼绕组中，为系统提供实时、可控的电磁阻尼力，改善空气轴承的运行条件，提高系统的失稳转速，使系统更加稳定；相较于通过添加电磁轴承来改善空气轴承运行工况的磁气复合结构（嵌套式/并列式）而言，本发明直接在电机定子槽内增设阻尼绕组，无需额外的电磁轴承，系统径向/轴向体积更小，功率密度更高；相较于无轴承电机中的悬浮绕组需要全程提供支承力，导致电机的功率密度不大的事实，本发明中旨在利用阻尼绕组改善空气轴承的运行工况，阻尼绕组并非全程通电，且通电时电流并不大，可以提高电机功率密度；电机定子上的两套绕组，分别独立控制，实现了旋转和阻尼的分立控制，控制逻辑简单。
附图说明
图1是本发明实施例的控制方法流程图。
图2是本发明实施例的电机系统结构示意图。
图3是本发明实施例的电机系统剖面结构示意图。
图4是本发明实施例的阻尼绕组电流方向示意图。
图5是本发明实施例的电枢绕组电流方向示意图。
图6是本发明实施例的阻尼绕组驱动电路图。
图7是本发明实施例的电枢绕组驱动电路图。
图8是本发明实施例的径向位移传感器安装位置示意图。
附图中，10：电机定子；11：电枢绕组；12：阻尼绕组；20：转轴；21：电机转子；22：永磁体；23：空气轴承；30：径向位移传感器；40：电机转子位置传感器；50：电枢绕组磁场；51：阻尼绕组磁场。
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所示，一种空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统的控制方法，包括步骤如下：
S1：检测电机转子位置角并计算电机转子转速；通过电机转子位置传感器40检测电机转子位置，进而计算电机转子转速，并以此来确定是否需要阻尼绕组提供额外的电磁阻尼力，相较于无轴承电机中的悬浮绕组需要全程提供支承力，导致电机的功率密度不大的事实，本发明中旨在利用阻尼绕组改善空气轴承的运行工况，阻尼绕组并非全程通电，且通电时电流并不大，可以提高电机功率密度；
S2：检测电机转子的偏心距离并计算电机转子的径向偏心速度；
S3：基于维持系统稳定状态时的阻尼系数与转速对应关系确定当前工况下维持系统稳定运行所需的总阻尼系数；
S4：计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力；
S5：计算当前工况下需对阻尼绕组输出的电流幅值和相位；
S6：对阻尼绕组输出对应幅值和相位的电流。
其中，步骤S4中当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力计算方法包括：
S41：计算当前工况下空气轴承自身产生的阻尼力、/>，
，
，
其中，表示为空气轴承动态阻尼系数，空气轴承动态阻尼系数可通过事先测量获得；
S42：计算当前工况下维持系统稳定运行所需的总阻尼力、/>，
，
；
S43：计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力、，
，
；
S44：计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力幅值和相位/>，
，
。
步骤S5中所述的当前工况下需对阻尼绕组输出的电流相位确定方法包括：
S51：检测电机转子磁链位置电角度；
S52：以所述电机转子磁链位置电角度为阻尼绕组电流的相位参考值计算阻尼绕组的相位/>，
,
若阻尼绕组极对数大于电枢绕组极对数时，上式取正号；若阻尼绕组极对数小于电枢绕组极对数时，上式取负号；
S53：计算当前工况下需对阻尼绕组输出的电流幅值，
,
其中，为阻尼绕组的力-电流系数，所述力-电流系数基于阻尼绕组匝数和永磁体剩磁确定。至此，当前工况下需施加给阻尼绕组的电流完全确定，具体如下所示：
,
式中，，本实施例中，/>，故/>。
本实施例的阻尼绕组12可以在反馈控制的条件下，在电机系统高速运行时给电机转子及转轴20提供阻尼力，以改善空气轴承23支承的大功率高速电机系统的运行工况，保障电机系统的稳定运行。系统高速运行时，阻尼绕组控制器可以利用径向位移传感器30检测电机转子21径向位移并计算径向偏心速度、利用电机转子位置传感器40检测电机转子21位置角并计算电机转子转速等实时参数，解算出需要的阻尼电流并通入阻尼绕组12中，为系统提供实时、可控的电磁阻尼力，改善空气轴承23的运行条件，提高系统的失稳转速，使系统更加稳定。
如图2所示，一种空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统，包括：空气轴承23、转轴20、电机定子10、电机转子和径向位移传感器30；径向位移传感器30设置在电机定子10两侧的转轴20上方，所述径向位移传感器30用于测量电机转子偏心距离；所述电机定子10包括定子铁心、电枢绕组11和阻尼绕组12；所述阻尼绕组12电连接有一阻尼绕组12控制器，所述阻尼绕组12控制器用于本实施例中所述的控制方法，转轴20上还设有电机转子位置传感器40。与现有技术的磁气复合结构的电机系统，本实施例的电机系统无需另外设置电磁轴承，而是直接在电机定子10槽内增设阻尼绕组12来提供电机运行时的阻尼力，进而改善空气轴承23的运行，同时，径向/轴向体积更小，功率密度更高。
如图3-5所示，电机定子10由硅钢片叠压而成，所述电机定子10上设置有安装电枢绕组11和阻尼绕组12的安装槽，所述电枢绕组11和所述阻尼绕组12的极对数不相同。在本实施例中电机定子10上开设有24个安装槽，电枢绕组11和阻尼绕组12分别独立的设置在这些安装槽内，每个安装槽设为内外两层，本实施例中，靠近槽底的位置设置极对数的电枢绕组11，靠近槽口的位置设置极对数/>的阻尼绕组12，电机转子极对数和电枢绕组11的极对数相同，本实施例中的永磁体22转子设为表贴式永磁体22转子，在其他实施例中也可设置为圆柱体实心永磁体22或满足系统需求的其他形式的永磁体22。图4、图5示出了本实施例的一种电枢绕组11和阻尼绕组12的电流正方向，图3示出了本实施例的电枢绕组11和阻尼绕组12的磁场，在电机转子永磁体22产生的两极磁场与阻尼绕组12产生的四极磁场相互作用下，电机转子及转轴20就可以获得水平向右的径向电磁力，在阻尼绕组12的输入电流变化时即可使电机转子及转轴20获得各方向的径向电磁力，从而在电机转子及转轴20转动时抑制转轴20的径向移动或抖动，保障电机系统的稳定运行。
图6和图7示出了电枢绕组11和阻尼绕组12的驱动电路，电枢绕组11和阻尼绕组12分别由独立的控制器进行控制，分别提供旋转力和阻尼力，实现了旋转和阻尼的分立控制，电枢绕组11的控制方法可采用常规永磁电机闭环控制方法。
如图8所示，径向位移传感器30包括对称设置在电机定子10两侧转轴20上的两组位移传感器，所述每组位移传感器包括呈90°夹角设置的两个位移传感器。每组径向位移传感器30分别测量电机转子一侧的径向位移，每组径向位移传感器30中的两个位移传感器分别测量一侧电机转子的x轴方向和y轴方向的位移，通过上述两组径向位移传感器30可以准确测量电机转子及转轴的径向位移。
上述实施例是按照两极电枢绕组和四极阻尼绕组进行设计的，在其他实施例中也可以是四极电枢绕组和两级阻尼绕组或者其他满足要求的极数设计，只需满足电枢绕组极对数与阻尼绕组极对数不相同。
综上所述，本发明实施例的有益效果是：系统高速运行时，阻尼绕组控制器可以利用径向位移传感器检测电机转子径向位移并计算径向偏心速度、利用电机转子位置传感器检测电机转子位置角并计算电机转子转速等实时参数，解算出需要的阻尼电流并通入阻尼绕组中，为系统提供实时、可控的电磁阻尼力，改善空气轴承的运行条件，提高系统的失稳转速，使系统更加稳定。相较于通过添加电磁轴承来改善空气轴承运行工况的磁气复合结构（嵌套式/并列式）而言，本发明直接在电机定子槽内增设阻尼绕组，无需额外的电磁轴承，系统径向/轴向体积更小，功率密度更高。相较于无轴承电机中的悬浮绕组需要全程提供支承力，导致电机的功率密度不大的事实，本发明中旨在利用阻尼绕组改善空气轴承的运行工况，阻尼绕组并非全程通电，且通电时电流并不大，可以提高电机功率密度。电机定子上的两套绕组，分别独立控制，实现了旋转和阻尼的分立控制，控制逻辑简单。
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定子双绕组高速电机系统的控制方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1：检测电机转子位置角并计算电机转子转速；
S2：检测电机转子的偏心距离并计算电机转子的径向偏心速度；
S3：基于维持系统稳定状态时的阻尼系数与转速对应关系确定当前工况下维持系统稳定运行所需的总阻尼系数；
S4：计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力；
S5：计算当前工况下需对阻尼绕组输出的电流幅值和相位；
S6：对阻尼绕组输出对应幅值和相位的电流。
2.根据权利要求1所述的空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力的计算方法包括：
S41：计算当前工况下空气轴承自身产生的阻尼力、/>，
，
，
其中，表示为空气轴承动态阻尼系数；
S42：计算当前工况下维持系统稳定运行所需的总阻尼力、/>，
，
；
S43：计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力、/>，
，
。
3.根据权利要求2所述的空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统的控制方法，其特征在于，步骤S4中维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力的计算方法还包括：
S44：计算当前工况下维持系统稳定运行时阻尼绕组所需补偿的阻尼力幅值和相位/>，
，
。
4.根据权利要求1所述的空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统的控制方法，其特征在于，步骤S5中所述的当前工况下需对阻尼绕组输出的电流相位确定方法包括：
S51：检测电机转子磁链位置电角度；
S52：以所述电机转子磁链位置电角度为阻尼绕组电流的相位参考值计算阻尼绕组的相位/>，
，
其中，为阻尼绕组所需补偿的阻尼力相位，若阻尼绕组极对数大于电枢绕组极对数时，上式取正号；若阻尼绕组极对数小于电枢绕组极对数时，上式取负号。
5.根据权利要求4所述的空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统的控制方法，其特征在于，步骤S5还包括，
S53：计算当前工况下需对阻尼绕组输出的电流幅值，
其中，为阻尼绕组所需补偿的阻尼力幅值，/>为阻尼绕组的力-电流系数，所述力-电流系数基于阻尼绕组匝数和永磁体剩磁确定。
6.一种空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统，其特征在于，
包括空气轴承、转轴、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置在电机定子两侧的转轴上方，所述径向位移传感器用于测量电机转子偏心距离；
所述电机定子包括定子铁心、电枢绕组和阻尼绕组；所述阻尼绕组电连接有一阻尼绕组控制器，所述阻尼绕组控制器用于执行如权利要求1-5中任一项所述的控制方法。
7.根据权利要求6所述的空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统，其特征在于，所述电枢绕组和所述阻尼绕组的极对数不相同。
8.根据权利要求6所述的空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统，其特征在于，所述径向位移传感器包括对称设置在电机定子两侧转轴上方的两组位移传感器，每组位移传感器包括呈90°夹角设置的两个位移传感器。
9.根据权利要求6所述的空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统，其特征在于，所述转轴上方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。
10.根据权利要求6所述的空气轴承支承的定子双绕组高速电机系统，其特征在于，所述电机定子由硅钢片叠压而成，所述电机定子上设置有安装电枢绕组和阻尼绕组的安装槽。
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