CN116191801B - 一种无轴承混合励磁同步电机及其悬浮控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种无轴承混合励磁同步电机及其悬浮控制方法，涉及无轴承电机技术领域，具有电机转子稳定悬浮运行，悬浮控制简单等特点。该电机转子中：两个电励磁转子、分别放置在永磁转子两侧。每个电励磁转子都采用两种不同结构的转子铁心和隔磁体组装而成，励磁绕组嵌于固定在电机端盖上的导磁桥内，实现了电励磁转子的无刷化。在转子导磁桥表面的宽凸极结构缠绕X悬浮绕组和Y轴悬浮绕组，实现了电机转子的稳定悬浮。所述电机定子由一体定子铁心构成，第一电励磁转子、第二电励磁转子和永磁转子共用定子铁心和电枢绕组，有效减少了所述电机的轴向长度。定子铁心采用硅钢片叠压而成，且第一电励磁转子、第二电励磁转子和永磁转子之间留有一定气隙，所述电机三部分转子的磁路相互独立。

Description

一种无轴承混合励磁同步电机及其悬浮控制方法
技术领域
本发明涉及无轴承电机技术领域，尤其涉及一种无轴承混合励磁同步电机及其悬浮控制方法。
背景技术
永磁同步电机具有效率高，功率密度大的突出优点，但是永磁同步电机主气隙磁场由永磁体提供，难以调节，同时在电机发生故障时难以灭磁，运行可靠性低。混合励磁同步电机包括电励磁同步电机和永磁同步电机两部分，由永磁体和电励磁绕组共同提供主气隙磁场，不仅具备永磁同步电机高效率、高功率密度的优点，同时也具备电励磁同步电机调磁方便的优点。
传统混合励磁同步电机的励磁绕组位于转子上，励磁电流需要由滑环引入，仍然为有刷结构。为了实现传统混合励磁同步电机无刷化，提高电机运行的可靠性，国内的学者提出一种新型并列结构混合励磁同步电机。新型并列结构混合励磁同步电机主气隙磁场主要由永磁转子产生，采取特殊结构的电励磁转子对主气隙磁场起到调节作用，励磁绕组嵌入导磁桥内，导磁桥固定在电机端盖上，使电机电励磁部分实现无刷运行，虽然新型并列结构混合励磁同步电机的结构复杂度上升了，但还是提高了运行可靠性。但是，这种新型并列结构混合励磁同步电机的机械轴承容易磨损，存在使用寿命短的问题，又由于新型并列结构混合励磁同步电机的结构复杂度上升了，则又导致了这种新型并列结构混合励磁同步电机的维护成本提高，维修所需的工时增加。
因此，如何进一步改进混合励磁同步电机，降低结构的复杂度并解决易磨损件的维护难度的问题，从而提高使用寿命，成为了需要研究的课题。
发明内容
本发明的实施例提供一种无轴承混合励磁同步电机及其悬浮控制方法，在混合励磁同步电机中集成了X轴悬浮绕组和Y轴悬浮绕组，并实现了所述电机的无轴承化，消除了传统机械轴承带来的机械损耗的问题，从而提高使用寿命。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供的无轴承混合励磁同步电机，所述无轴承混合励磁同步电机的转子部分包括：第一电励磁转子、第二电励磁转子和永磁转子，其中，所述第一电励磁转子与所述第二电励磁转子的结构相同，且均采用无刷化设计。并且第一电励磁转子和第二电励磁转子对称放置于所述永磁转子的两侧。另外，所述无轴承混合励磁同步电机的定子部分由定子铁心(1)构成，定子铁心(1)为一体结构，且由硅钢片叠压而成。
以所述第一电励磁转子为例，包括：第一电励磁转子第一铁心(2)、第一电励磁转子第二铁心(3)和隔磁体(4)；其中，第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)由整块铁或钢构成，磁通可径向或轴向流通，隔磁体(4)由隔磁材料构成，使第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)之间磁通相互独立。励磁绕组(5)、第一X轴悬浮绕组(6)、第一Y轴悬浮绕组(7)和导磁桥(8)；在第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)安装后形成的空间内，安装有导磁桥(8)，并且，导磁桥(8)固定在所述无轴承混合励磁同步电机的电机端盖上，励磁绕组(5)则嵌于导磁桥(8)内，在电机转子旋转时，励磁绕组(5)不会随之旋转。在导磁桥(8)的外表面增设有两对宽凸极，在X轴径向相对的一对宽凸极上缠绕第一X轴悬浮绕组(6)，在Y轴径向相对的一对宽凸极上缠绕第一Y轴悬浮绕组(7)。
实际举例来说，可以在导磁桥(8)的外表面增设四个宽凸极，其中X轴方向径向相对的一对宽凸极用来缠绕控制电机转子X轴悬浮的X轴悬浮绕组，X轴悬浮绕组包括第一X轴悬浮绕组(6)和第二X轴悬浮绕组(10)。其中第一X轴悬浮绕组(6)缠绕在第一电励磁转子中的导磁桥(8)，用来控制第一电励磁转子的X轴悬浮。第二X轴悬浮绕组(10)缠绕在第二电励磁转子中的导磁桥(8)，用来控制第二电励磁转子的X轴悬浮。Y轴方向径向相对的一对宽凸极用来缠绕控制电机转子Y轴悬浮的Y轴悬浮绕组，Y轴悬浮绕组包括第一Y轴悬浮绕组(7)和第二Y轴悬浮绕组(11)。其中第一Y轴悬浮绕组(7)缠绕在第一电励磁转子中的导磁桥(8)，用来控制第一电励磁转子的Y轴悬浮。第二Y轴悬浮绕组(11)缠绕在第二电励磁转子中的导磁桥(8)，用来控制第二电励磁转子的Y轴悬浮。第一X轴悬浮绕组(6)与第二X轴悬浮绕组(10)串联，第一Y轴悬浮绕组(7)与第二Y轴悬浮绕组(11)串联。
本实施例中，通过分别在永磁转子两侧放置第一电励磁转子和第二电励磁转子，来控制所述电机转子的X轴方向悬浮和Y轴方向悬浮，其中，第一电励磁转子和第二电励磁转子用于控制所述电机转子的X轴方向悬浮和Y轴方向悬浮，保证了所述电机转子在悬浮运行时不发生倾斜，悬浮稳定可靠，同时第一电励磁转子和第二电励磁转子可同时参与调磁，提高了所述电机的调磁能力。具体的，第一X轴悬浮绕组(6)用于控制所述第一电励磁转子在X轴方向的悬浮，第二X轴悬浮绕组(10)用于控制所述第二电励磁转子在X轴方向的悬浮，第一X轴悬浮绕组(6)的第二出线端X1-与第二X轴悬浮绕组(10)的第一出线端X2+相连；第一Y轴悬浮绕组(7)用于控制所述第一电励磁转子在Y轴方向的悬浮，第二Y轴悬浮绕组(11)用于控制所述第二电励磁转子在Y轴方向的悬浮，第一Y轴悬浮绕组(7)的第二出线端Y1-与第二Y轴悬浮绕组(11)的第一出线端Y2+相连；第一X轴悬浮绕组(6)的第一出线端X1+和第二X轴悬浮绕组(10)的第二出线端X2-，都与外部X轴悬浮控制电路相连；第一Y轴悬浮绕组(7)的第一出线端Y1+和第二Y轴悬浮绕组(11)的第二出线端Y2-，都与外部Y轴悬浮控制电路相连。实际应用中，所述X轴悬浮控制电路和Y轴悬浮控制电路均为全桥逆变电路。
本实施例中，励磁绕组(5)包括了轴向相对的两套励磁线圈，且这两套励磁线圈串联；其中一套励磁线圈嵌于所述第一电励磁转子处的导磁桥(8)内，另一套励磁线圈嵌于所述第二电励磁转子处的导磁桥(8)内。以嵌于第一电励磁转子处的导磁桥(8)内的励磁线圈为例，其产生的磁通经过第一电励磁转子第一铁心(2)-气隙-导磁桥(8)-气隙-第一电励磁转子第二铁心(3)-气隙-定子铁心(1)-气隙-第一电励磁转子第一铁心(2)形成闭环。
本实施例中，定子铁心(1)为中空的圆柱形一体结构，并且，用于叠压的硅钢片为环形，第一电励磁转子、第二电励磁转子和所述永磁转子都布置在定子铁心(1)的内部空腔中。其中，第一电励磁转子、第二电励磁转子和永磁转子之间存在一定长度的气隙，并且定子铁心(1)采用硅钢片叠压而成，因此所述电机第一电励磁转子、第二电励磁转子和永磁转子磁通相互独立。实际应用中，可以采用目前已研究出的新型并列结构混合励磁同步电机的结构与原理，来实现本实施例中定子铁心(1)、第一电励磁转子、第二电励磁转子和所述永磁转子的各自金属结构件的组装。
本实施例中，定子铁心(1)上开设有若干定子槽，在定子槽内绕有电枢绕组，所述第一电励磁转子、所述第二电励磁转子和所述永磁转子共用定子铁心(1)和电枢绕组，从而缩短了电机的轴向长度。
本实施例中，采用永磁转子铁心(9)作为所述永磁转子，永磁转子铁心(9)采用切向永磁转子结构，永磁转子铁心(9)的极数与所述第一电励磁转子和所述第二电励磁转子相同。
本实施例中，所述第一电励磁转子、所述第二电励磁转子和所述永磁转子共用一个转子轴。
本实施例中，所述第一电励磁转子和所述第二电励磁转子的轴向长度小于所述永磁转子，因此所述电机效率高，功率密度大。
第二方面，本发明的实施例提供的无轴承混合励磁同步电机的悬浮控制方法，包括：
通过安装在所述无轴承混合励磁同步电机的电机端盖上的X轴方向径向位移传感器，检测所述无轴承混合励磁同步电机的转子的径向位置，得到所述无轴承混合励磁同步电机的转子在X轴方向上的实际位置；
通过安装在所述电机端盖上的Y轴方向的径向位移传感器，检测所述无轴承混合励磁同步电机的转子的径向位置，得到所述无轴承混合励磁同步电机的转子在Y轴方向上的实际位置，其中，X轴与Y轴相互正交；其中，由于采用双电励磁转子结构，因此所述电机转子在悬浮运行时不会倾斜，只需检测单边电励磁转子的径向位移，所述电机的X轴方向的径向位移传感器和Y轴方向的径向位移传感器仅安装在第一电励磁转子侧；
通过电流检测单元，分别检测所述无轴承混合励磁同步电机的X轴悬浮绕组电流反馈值和Y轴悬浮绕组电流反馈值；其中，由于第一X轴悬浮绕组(6)和第二X轴悬浮绕组(10)串联，第一Y轴悬浮绕组(7)和第二Y轴悬浮绕组(11)串联，因此仅需检测第一X轴悬浮绕组(6)电流反馈值和第一Y轴悬浮绕组(7)电流反馈值；
获取预设的所述无轴承混合励磁同步电机在X轴方向的参考位移与所述X轴方向转子实际位移的差值，并将差值输入X轴位移调节环节，输出第一X轴悬浮绕组(6)的电流参考值；
获取预设的所述无轴承混合励磁同步电机在Y轴方向参考位移与所述Y轴方向转子实际位移的差值，并将差值输入Y轴位移调节环节，输出第一Y轴悬浮绕组(7)的电流参考值；
将第一X轴悬浮绕组(6)电流参考值与第一X轴悬浮绕组(6)电流反馈值的差值，输入X轴悬浮电流调节环节，输出X轴悬浮控制电路的占空比信号；
将第一Y轴悬浮绕组(7)电流参考值与第一Y轴悬浮绕组(7)电流反馈值的差值，输入Y轴悬浮电流调节环节，输出Y轴悬浮控制电路的占空比信号。其中，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轴悬浮绕组电流和Y轴悬浮绕组电流。
具体的，所述X轴位移调节环节采用比例-积分-微分(PID)控制；所述Y轴位移调节环节采用比例-积分-微分(PID)控制；所述X轴悬浮电流调节环节采用比例-积分(PI)控制；所述Y轴悬浮电流调节环节采用比例-积分(PI)控制。
本发明实施例提供的无轴承混合励磁同步电机及其悬浮控制方法，对新型并列结构混合励磁同步电机的方案进行了改进，在新型并列结构混合励磁同步电机的方案的基础上增设了X轴悬浮绕组和Y轴悬浮绕组，实现了所述电机的无轴承化，消除了传统机械轴承带来的机械损耗，大大提高了所述电机的使用寿命；并且，本实施例采用双电励磁转子结构，第一电励磁转子和第二电励磁转子分别放置在永磁转子两侧，既能保证电机转子在悬浮运行时不发生倾斜，悬浮可靠，也提高了所述电机电励磁部分的调磁能力；同时，本实施例依旧采用了混合励磁结构，使电机既具有永磁同步电机高效率、高功率密度的优点，又具有电励磁同步电机调磁方便的优点；以及，本实施例中电机的电励磁转子，保留了新型并列结构混合励磁同步电机的无刷化转子结构，从而也提高了电机运行的可靠性。
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无轴承混合励磁同步电机3D结构示意图；
图2为本发明实施例提供的无轴承混合励磁同步电机3D结构剖视图；
图3a、图3b为本发明实施例提供的无轴承混合励磁同步电机电励磁部分转子3D结构示意图；
图4a、图4b为本发明实施例提供的无轴承混合励磁同步电机第一电励磁转子第一铁心和第一电励磁转子第二铁心的3D结构示意图；
图5a、图5b为本发明实施例提供的无轴承混合励磁同步电机悬浮绕组连接端示意图；
图6为本发明实施例提供的无轴承混合励磁同步电机励磁绕组连接端示意图；
图7为本发明实施例提供的无轴承混合励磁同步电机励磁电流为正时第一电励磁转子的励磁磁通流向图；
图8为本发明实施例提供的无轴承混合励磁同步电机X轴悬浮控制电路、Y轴悬浮控制电路示意图；
图9为本发明实施例提供的无轴承混合励磁同步电机的悬浮控制原理框图；
附图中的各个标号分别表示：1-定子铁心、2-第一电励磁转子第一铁心、3-第一电励磁转子第二铁心、4-隔磁体、5-励磁绕组、6-第一X轴悬浮绕组、7-第一Y轴悬浮绕组、8-导磁桥、9-永磁转子铁心、10-第二X轴悬浮绕组、11-第二Y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。
本发明实施例提供一种无轴承混合励磁同步电机，其结构如图1至图4所示，所述电机包括定子铁心(1)、转子铁心、隔磁体(4)、电枢绕组、励磁绕组(5)、X轴悬浮绕组、Y轴悬浮绕组、导磁桥(8)、永磁转子铁心(9)。其中，X轴悬浮绕组包括第一X轴悬浮绕组(6)和第二X轴悬浮绕组(10)；Y轴悬浮绕组包括第一Y轴悬浮绕组(7)和第二Y轴悬浮绕组(11)。所述电机的转子包括三部分，分别为第一电励磁转子、第二电励磁转子、永磁转子。其中，第一电励磁转子的结构如图3a、图3b所示，第一电励磁转子包括第一电励磁转子第一铁心(2)、第一电励磁转子第二铁心(3)、隔磁体(4)、励磁绕组(5)、第一X轴悬浮绕组(6)、第一Y轴悬浮绕组(7)、导磁桥(8)。
具体的，第一电励磁转子第一铁心(2)的结构如图4a所示，第一电励磁转子第二铁心(3)的结构如图4b所示。第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)由整块导磁材料(铁或钢)构成，励磁磁通和悬浮磁通可经第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)径向或轴向流通。第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)错开一定角度进行组装，并在第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)之间安装若干隔磁体(4)，隔磁体(4)阻止了第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)之间磁通的相互流通。
在第一电励磁转子第一铁心(2)、第一电励磁转子第二铁心(3)和隔磁体(4)组装之后背面的环形空间放置导磁桥(8)。导磁桥(8)为环形结构，导磁桥(8)外部布置有四个宽凸极，四个宽凸极分为两组，径向相对的两个宽凸极为一组。两组宽凸极分别用来放置第一X轴悬浮绕组(6)和第一Y轴悬浮绕组(7)。励磁绕组(5)嵌于导磁桥(8)内，而导磁桥(8)固定于电机端盖上，不随转子的旋转而旋转，因此励磁绕组(5)不随转子的旋转而旋转，从而使所述电机的电励磁转子实现了无刷化。
第二电励磁转子的结构与第一电励磁转子的结构相同，第一电励磁转子和第二电励磁转子轴向对称相对放置于永磁转子的两侧。
第一X轴悬浮线圈按照图5a所示的接线方式依次连接构成第一X轴悬浮绕组(6)。第一X轴悬浮绕组(6)由两套X轴悬浮线圈构成，分别布置在X轴径向相对的宽凸极上。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第一X轴悬浮绕组(6)第一出线端X1+，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第一X轴悬浮绕组(6)第二出线端X1-。第一X轴悬浮绕组(6)第一出线端X1+与外部X轴悬浮控制电路相连，第一X轴悬浮绕组(6)第二出线端X1-与第二X轴悬浮绕组(10)第一出线端X2+相连。
第二电励磁转子上同样布置有用于控制电机X轴悬浮的第二X轴悬浮绕组(10)，第二X轴悬浮绕组(10)的布置方式与第一X轴悬浮绕组(6)相同。
第二X轴悬浮线圈按照图5b所示的接线方式依次连接构成第二X轴悬浮绕组(10)，第二X轴悬浮绕组(10)的连接方式与第一X轴悬浮绕组(6)相同。第二X轴悬浮绕组(10)有两个出线端，分别为第二X轴悬浮绕组(10)第一出线端X2+、第二X轴悬浮绕组(10)第二出线端X2-。第二X轴悬浮绕组(10)第一出线端X2+与第一X轴悬浮绕组(6)第二出线端X1-相连，第二X轴悬浮绕组(10)第二出线端X2-与外部X轴悬浮控制电路相连。
第一Y轴悬浮线圈按照图5a所示的接线方式依次连接构成第一Y轴悬浮绕组(7)。第一Y轴悬浮绕组(7)由两套Y轴悬浮线圈构成，分别布置在Y轴径向相对的宽凸极上。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第一Y轴悬浮绕组(7)第一出线端Y1+，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第一Y轴悬浮绕组(7)第二出线端Y1-。第一Y轴悬浮绕组(7)第一出线端Y1+与外部Y轴悬浮控制电路相连，第一Y轴悬浮绕组(7)第二出线端Y1-与第二Y轴悬浮绕组(11)第一出线端Y2+相连。
第二电励磁转子上同样布置有用于控制电机Y轴悬浮的第二Y轴悬浮绕组(11)，第二Y轴悬浮绕组(11)的布置方式与第一Y轴悬浮绕组(7)相同。
第二Y轴悬浮线圈按照图5b所示的接线方式依次连接构成第二Y轴悬浮绕组(11)，第二Y轴悬浮绕组(11)的连接方式与第一Y轴悬浮绕组(7)相同。第二Y轴悬浮绕组(11)有两个出线端，分别为第二Y轴悬浮绕组(11)第一出线端Y2+、第二Y轴悬浮绕组(11)第二出线端Y2-。第二Y轴悬浮绕组(11)第一出线端Y2+与第一Y轴悬浮绕组(7)第二出线端Y1-相连，第二Y轴悬浮绕组(11)第二出线端Y2-与Y轴悬浮转矩控制电路相连。
X轴悬浮控制电路的结构如图8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，第一X轴悬浮绕组(6)第一出线端X1+、第二X轴悬浮绕组(10)第二出线端X2-分别与MOSFET开关管Q1的源极、MOSFET开关管Q3的源极相连。
Y轴悬浮控制电路的结构如图8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，第一Y轴悬浮绕组(7)第一出线端Y1+、第二Y轴悬浮绕组(11)第二出线端Y2-分别与MOSFET开关管Q5的源极、MOSFET开关管Q7的源极相连。
励磁线圈按照图6所示的接线方式依次连接构成励磁绕组(5)。励磁绕组(5)由两套励磁线圈构成，第一电励磁转子和第二电励磁转子各布置有一套励磁线圈，第一套励磁线圈安装在第一电励磁转子，第二套励磁线圈安装在第二电励磁转子，两套励磁线圈轴向相对。两套励磁线圈均嵌于导磁桥(8)内，不随转子旋转而旋转。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)第一出线端F+和励磁绕组(5)第二出线端F-与外部励磁控制绕组相连。通过控制励磁绕组(5)中流过电流的大小与正负极性，可对主气隙磁通进行调节。
当励磁电流为正时，第一电励磁转子的励磁磁通流向如图7所示。励磁磁通经过第一电励磁转子第一铁心(2)-气隙-导磁桥(8)-气隙-第一电励磁转子第二铁心(3)-气隙-定子铁心(1)-气隙-第一电励磁转子第一铁心(2)形成闭环。由于隔磁体(4)的存在，使得第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)之间的磁通相互隔离。
永磁转子由永磁转子铁心(9)构成，永磁转子结构与传统切向永磁电机转子结构相同，永磁转子极数与第一电励磁转子和第二电励磁转子极数相同。永磁转子与第一电励磁转子、第二电励磁转子同轴相连。永磁转子提供主气隙磁通，使所述电机具有永磁同步电机效率高、功率密度大的优势。
所述电机的定子包括定子铁心(1)，定子铁心(1)包括若干槽，槽内绕有电枢绕组。第一电励磁转子、第二电励磁转子、永磁转子共用定子铁心(1)和电枢绕组。定子铁心(1)由硅钢片叠压制成，第一电励磁转子、第二电励磁转子、永磁转子产生的径向磁通相互独立。
基于上述无轴承混合励磁同步电机，本实施例还提供了无轴承混合励磁同步电机的悬浮控制方法，其具体悬浮控制原理框图如图9所示，包括：
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。由于所述电机采用双电励磁转子结构，因此所述电机转子不存在X轴方向倾斜问题，只需在单边端盖安装X轴方向的径向位移传感器。所述电机仅在第一电励磁转子处的电机端盖上安装X轴方向的径向位移传感器用来检测第一电励磁转子的X轴方向位移。
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。由于所述电机采用双电励磁转子结构，因此所述电机转子不存在Y轴方向倾斜问题，只需在单边端盖安装Y轴方向的径向位移传感器。所述电机仅在第一电励磁转子处的电机端盖上安装Y轴方向的径向位移传感器用来检测第一电励磁转子的Y轴方向位移。
由于第一X轴悬浮绕组(6)与第二X轴悬浮绕组(10)串联，第一Y轴悬浮绕组(7)与第二Y轴悬浮绕组(11)串联，因此仅需检测单边电励磁转子的X轴悬浮绕组电流和Y轴悬浮绕组电流。所述电机仅在第一电励磁转子处安装电流传感器用来检测第一X轴悬浮绕组(6)电流和第一Y轴悬浮绕组(7)电流。
通过电流检测单元，分别检测所述电机的第一X轴悬浮绕组(6)电流反馈值iX和第一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，得到第一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，得到第一Y轴悬浮绕组(7)的电流参考值iY*。
将第一X轴悬浮绕组(6)电流参考值iX*与第一X轴悬浮绕组(6)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。
将第一Y轴悬浮绕组(7)电流参考值iY*与第一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，调节第一X轴悬浮绕组(6)电流和第一Y轴悬浮绕组(7)电流。从而实现第一X轴悬浮绕组(6)电流跟踪其参考值，实现第一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。
本实施例的设计目的，在于解决新型并列结构混合励磁同步电机采用传统机械轴承，机械磨损大，使用寿命短的问题，因而设计了一种悬浮控制简单、运行可靠、悬浮稳定的无轴承混合励磁同步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：
无轴承混合励磁同步电机在新型并列结构混合励磁同步电机的基础上增设X轴悬浮绕组和Y轴悬浮绕组，实现了新型并列结构混合励磁同步电机的无轴承化，消除了采用传统机械轴承时的机械磨损，大大提高了电机的使用寿命。
无轴承混合励磁同步电机采用双电励磁转子结构，在永磁转子两侧均放置一个电励磁转子，不仅增强了无轴承混合励磁同步电机的调磁能力，也能保证电机转子轴在悬浮运行时不发生倾斜。
无轴承混合励磁同步电机是在新型并列结构混合励磁同步电机的基础上改进的，电励磁转子结构与新型并列结构混合励磁同步电机相似，实现了电机电励磁转子的无刷化，提高了电机运行的稳定性。
无轴承混合励磁同步电机采用一体定子铁心结构，第一电励磁转子、第二电励磁转子和永磁转子共用定子铁心与电枢绕组，减少了电机的轴向长度。
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 (10)

1.一种无轴承混合励磁同步电机，其特征在于，所述无轴承混合励磁同步电机的转子部分包括：第一电励磁转子、第二电励磁转子和永磁转子，其中，所述第一电励磁转子与所述第二电励磁转子的结构相同，并且第一电励磁转子和第二电励磁转子对称放置于所述永磁转子的两侧；
所述第一电励磁转子包括：第一电励磁转子第一铁心(2)、第一电励磁转子第二铁心(3)和隔磁体(4)；
励磁绕组(5)、第一X轴悬浮绕组(6)、第一Y轴悬浮绕组(7)和导磁桥(8)；
在第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)安装后形成的空间内，安装有导磁桥(8)，并且，导磁桥(8)固定在所述无轴承混合励磁同步电机的电机端盖上，励磁绕组(5)则嵌于导磁桥(8)内；
在导磁桥(8)的外表面增设有两对宽凸极，在X轴径向相对的一对宽凸极上缠绕第一X轴悬浮绕组(6)，在Y轴径向相对的一对宽凸极上缠绕第一Y轴悬浮绕组(7)；
所述无轴承混合励磁同步电机的定子部分由定子铁心(1)构成，定子铁心(1)为一体结构，且由硅钢片叠压而成；
第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)由整块导磁材料构成，励磁磁通和悬浮磁通经第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)径向或轴向流通；第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)错开一定角度进行组装，并在第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)之间安装隔磁体(4)，隔磁体(4)阻止了第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)之间磁通的相互流通；
在第一电励磁转子第一铁心(2)、第一电励磁转子第二铁心(3)和隔磁体(4)组装之后背面的环形空间放置导磁桥(8)；导磁桥(8)为环形结构，导磁桥(8)外部布置有四个宽凸极，四个宽凸极分为两组，径向相对的两个宽凸极为一组；两组宽凸极分别用来放置第一X轴悬浮绕组(6)和第一Y轴悬浮绕组(7)；励磁绕组(5)嵌于导磁桥(8)内，而导磁桥(8)固定于电机端盖上，不随转子的旋转而旋转，以便于励磁绕组(5)不随转子的旋转而旋转，从而使所述电机的电励磁转子实现无刷化；
当励磁电流为正时，第一电励磁转子的励磁磁通流向经过第一电励磁转子第一铁心(2)-气隙-导磁桥(8)-气隙-第一电励磁转子第二铁心(3)-气隙-定子铁心(1)-气隙-第一电励磁转子第一铁心(2)形成闭环；由于隔磁体(4)的存在，第一电励磁转子第一铁心(2)和第一电励磁转子第二铁心(3)之间的磁通相互隔离。
2.根据权利要求1所述的无轴承混合励磁同步电机，其特征在于，第一X轴悬浮绕组(6)用于控制所述第一电励磁转子在X轴方向的悬浮，第二X轴悬浮绕组(10)用于控制所述第二电励磁转子在X轴方向的悬浮，第一X轴悬浮绕组(6)的第二出线端X1-与第二X轴悬浮绕组(10)的第一出线端X2+相连；
第一Y轴悬浮绕组(7)用于控制所述第一电励磁转子在Y轴方向的悬浮，第二Y轴悬浮绕组(11)用于控制所述第二电励磁转子在Y轴方向的悬浮，第一Y轴悬浮绕组(7)的第二出线端Y1-与第二Y轴悬浮绕组(11)的第一出线端Y2+相连；
第一X轴悬浮绕组(6)的第一出线端X1+和第二X轴悬浮绕组(10)的第二出线端X2-，都与外部X轴悬浮控制电路相连；
第一Y轴悬浮绕组(7)的第一出线端Y1+和第二Y轴悬浮绕组(11)的第二出线端Y2-，都与外部Y轴悬浮控制电路相连。
3.根据权利要求1所述的无轴承混合励磁同步电机，其特征在于，励磁绕组(5)包括了轴向相对的两套励磁线圈，且这两套励磁线圈串联；其中一套励磁线圈嵌于所述第一电励磁转子处的导磁桥(8)内，另一套励磁线圈嵌于所述第二电励磁转子处的导磁桥(8)内。
4.根据权利要求1所述的无轴承混合励磁同步电机，其特征在于，定子铁心(1)为中空的圆柱形一体结构，并且，用于叠压的硅钢片为环形，第一电励磁转子、第二电励磁转子和所述永磁转子都布置在定子铁心(1)的内部空腔中。
5.根据权利要求1所述的无轴承混合励磁同步电机，其特征在于，定子铁心(1)上开设有定子槽，在定子槽内绕有电枢绕组，所述第一电励磁转子、所述第二电励磁转子和所述永磁转子共用定子铁心(1)和电枢绕组。
6.根据权利要求1所述的无轴承混合励磁同步电机，其特征在于，采用永磁转子铁心(9)作为所述永磁转子，永磁转子铁心(9)采用切向永磁转子结构，永磁转子铁心(9)的极数与所述第一电励磁转子和所述第二电励磁转子相同。
7.根据权利要求1所述的无轴承混合励磁同步电机，其特征在于，所述第一电励磁转子、所述第二电励磁转子和所述永磁转子共用一个转子轴。
8.根据权利要求1所述的无轴承混合励磁同步电机，其特征在于，所述第一电励磁转子和所述第二电励磁转子的轴向长度小于所述永磁转子。
9.一种无轴承混合励磁同步电机的悬浮控制方法，其特征在于，所述悬浮控制方法用于控制权利要求1-8中任意一项所述的无轴承混合励磁同步电机，包括：通过安装在所述无轴承混合励磁同步电机的电机端盖上的X轴方向径向位移传感器，检测所述无轴承混合励磁同步电机的转子的径向位置，得到所述无轴承混合励磁同步电机的转子在X轴方向上的实际位置；
通过安装在所述电机端盖上的Y轴方向的径向位移传感器，检测所述无轴承混合励磁同步电机的转子的径向位置，得到所述无轴承混合励磁同步电机的转子在Y轴方向上的实际位置，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混合励磁同步电机的X轴悬浮绕组电流反馈值和Y轴悬浮绕组电流反馈值；
获取预设的所述无轴承混合励磁同步电机在X轴方向的参考位移与所述X轴方向转子实际位移的差值，并将差值输入X轴位移调节环节，输出第一X轴悬浮绕组(6)的电流参考值；
获取预设的所述无轴承混合励磁同步电机在Y轴方向参考位移与所述Y轴方向转子实际位移的差值，并将差值输入Y轴位移调节环节，输出第一Y轴悬浮绕组(7)的电流参考值；
将第一X轴悬浮绕组(6)电流参考值与第一X轴悬浮绕组(6)电流反馈值的差值，输入X轴悬浮电流调节环节，输出X轴悬浮控制电路的占空比信号；
将第一Y轴悬浮绕组(7)电流参考值与第一Y轴悬浮绕组(7)电流反馈值的差值，输入Y轴悬浮电流调节环节，输出Y轴悬浮控制电路的占空比信号。
10.根据权利要求9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；
所述Y轴位移调节环节采用比例-积分-微分(PID)控制；
所述X轴悬浮电流调节环节采用比例-积分(PI)控制；
所述Y轴悬浮电流调节环节采用比例-积分(PI)控制。
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