CN116317423B - 一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法 - Google Patents

一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法，包括五自由度无轴承异步电机、永磁调速器、负载、底座。五自由度无轴承电机包括两个径向两自由度无轴承电机、一个轴向单自由度磁轴承和电机转子轴；永磁调速器包括永磁转子、导体转子、调节机构与电动执行器，导体转子刚性连接电机转子轴，永磁转子通过调节机构连接负载，调节机构根据电动执行器信号调节永磁转子轴向移动；电机转矩绕组通入三相对称电流，通过检测转矩绕组电流与转子角频率，控制器计算出转矩绕组气隙磁场磁链与转子位置角，然后根据径向和轴向位移调节悬浮绕组电流，实现转子稳定悬浮。本发明仅需控制悬浮绕组电流就可实现转子稳定悬浮，消除转子振动，控制简单。

Description

一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机及其传动控制技术领域，尤其涉及一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法。
背景技术
无轴承异步电机集电机旋转与悬浮功能为一体，具有无摩擦、磨损、无需润滑、寿命长、能实现高速、高精运行，在航空航天、飞轮储能、石油化工等领域具有广阔的应用前景。经过30余年的科学研究，对无轴承异步电机原理、结构、控制等理论与方法已经成熟。但是，无轴承异步电机实现工业应用的技术瓶颈亟待突破，主要表现在以下几个方面：①.采用无轴承异步电机与混合磁轴承组成五自由度磁悬浮电机系统，然后该系统刚性连接负载轴，而负载全部采用机械轴承支承，因此，采用无轴承异步电机驱动机械轴承支承的负载并未实现轴悬浮运行，难以发挥无轴承电机技术优势。②.要实现无轴承异步电机转子稳定悬浮与旋转调速，必须采用控制器(如DSP)或者变频器同时协调控制转矩绕组和悬浮绕组电流大小和相位，控制极其复杂，并且只能在同步转速较小的范围内调速，低速时损耗更大，系统造价高。
发明内容
发明目的：针对背景技术中指出的问题，本发明提供一种无轴承异步电机调传动系统及其控制方法，该系统只需采用控制器控制悬浮绕组电流就可实现转子稳定悬浮，控制简单，调速范围从零到额定转速，调速范围广，且低速运行转时节能，具有造价低、可靠性高、成本低的优点。
技术方案：本发明提供一种无轴承异步电机传动系统，所述传动系统由负载、永磁调速器、五自由度无轴承异步电机和底座组成；所述五自由度无轴承异步电机包括两个径向两自由度无轴承电机、、一个轴向单自由度磁轴承和电机转子轴；两个径向两自由度无轴承电机、和轴向单自由度磁轴承均套设于电机转子轴上；两个径向两自由度无轴承电机、和轴向单自由度磁轴承的定子上分别排列有两个电机定子铁心、和轴向磁轴承定子；在电机定子铁心、和轴向磁轴承定子对应的电机转子轴上分别设置有异步电机转子铁心、和吸力盘；还包括两个径向检测基准盘、，八个径向位移传感器、一个轴向位移传感器、两个端盖、；所述两个径向检测基准盘、套固于电机转子轴两端，每4个径向位移传感器正对一个径向检测基准盘，所述轴向位移传感器垂直设置于其中一个检测基准盘一侧；所述永磁调速器包括永磁转子、导体转子、调节机构和电动执行器；所述电动执行器与所述调节机构连接，所述永磁转子和导体转子之间存在第一径向气隙和第一轴向气隙；所述导体转子刚性连接所述电机转子轴，所述永磁转子通过调节机构刚性连接负载。
进一步地，所述永磁转子和导体转子之间的第一径向气隙长度大于异步电机定子铁心和异步电机转子铁心之间的第二径向气隙，永磁转子和导体转子之间的第一轴向气隙长大于轴向磁轴承定子和吸力盘之间的第二轴向气隙长度。
进一步地，所述永磁转子和导体转子之间第一轴向气隙长和第一径向气隙长度取值范围为2～5mm；异步电机的第二径向气隙长度和磁轴承第二轴向气隙长度取值范围为0.3～1.5mm。
进一步地，两个电机定子铁心、开有定子槽，定子槽分为内外两层，内层嵌入悬浮绕组，外层嵌入三相对称转矩绕组，三相对称转矩绕组极对数PM与悬浮绕组极对数PB之间满足加减一的关系，两套转矩绕组由一个三相对称交流电源直接供电。
进一步地，所述三相对称交流电源频率为fM，电机转子轴转速nN＝(60fM)/PM；调节机构据电动执行器信号控制永磁转子轴向移动实现负载转速和转矩调节，所述永磁转子转速输出范围为(0～nN)r/min。
本发明还公开一种基于上述一种无轴承异步电机传动系统的控制方法，所述电动执行器与PID控制器连接，具体包括如下步骤：
步骤1：径向位移传感器、轴向位移传感器检测径向和轴向位移XL、YL和Z，与位移给定信号X*＝Y*＝Z*＝0进行比较得到误差作为PID控制器输入信号：
ΔXL＝-XL,ΔYL＝-YL,ΔXR＝-XR,ΔYR＝-YR,ΔZ＝-Z
步骤2：误差经PID控制器产生径向悬浮力给定信号并根据力/电流变换公式为：
其中，NM和NB为转矩绕组和悬浮绕组每相匝数，pM和pB分别为转矩绕组和悬浮绕组极对数，l为电机铁心有效长度，r为转子外径，Lm2为径向力绕组互感；i1α为在α-β坐标系下转矩绕组电流在α轴分量，i1β为在α-β坐标系下转矩绕组电流在β轴分量，Ψα为在α-β坐标系下气隙磁链在α轴分量，Ψβ为在α-β坐标系下气隙磁链在β轴分量，F1x为悬浮力在x轴分量，F1y为悬浮力在y轴分量，i2α为在α-β坐标系下悬浮力绕组电流在α轴分量，i2β为在α-β坐标系下悬浮绕组电流在β轴分量，F2x为悬浮力在x轴分量，F2y为悬浮力在y轴分量；
步骤3：经过CLARK逆变换得到转矩绕组的给定三相电流
其中，Ψ1α为转矩绕组在α-β坐标系下α轴气隙磁链分量，Ψ1β为转矩绕组在α-β坐标系下β轴气隙磁链分量，u1α为转矩绕组在α-β坐标系下α轴电压分量，R1s为转矩绕组电阻，L1s为转矩绕组电感，i1α为在α-β坐标系下转矩绕组在α轴分量；Ψ2α为径向力绕组在α-β坐标系下α轴气隙磁链分量，Ψ2β为径向力绕组在α-β坐标系下β轴气隙磁链分量，u2α为径向力绕组在α-β坐标系下α轴电压分量，R2s为径向力绕组电阻，L2s为径向力绕组电感，i2α为在α-β坐标系下径向力绕组在α轴分量；
步骤4：最后经过三相功率驱动逆变电路(CRPWM)输出控制电机悬浮力绕组三相电流iu,iv,iw，实现无轴承永磁同步电机径向悬浮位置控制：
优选地，PID控制器通过控制悬浮绕组控制悬浮力；转矩绕组的初相位与电流大小固定不变。
有益效果：
本发明电机转矩绕组通入三相对称电流，通过检测转矩绕组电流与转子角频率，PID控制器计算出转矩绕组气隙磁场磁链与转子位置角，然后根据径向和轴向位移调节悬浮绕组电流，实现转子稳定悬浮。本发明只需采用控制器控制悬浮绕组电流就可实现转子稳定悬浮，控制简单，调速范围从零到额定转速，调速范围广，且低速运行转时节能，具有造价低、可靠性高、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明无轴承异步电机传动系统电机径向剖分图；
图2为本发明无轴承异步电机传动系统控制系统框图；
图3为本发明无轴承异步电机传动系统系统构成连接图。
其中，1-负载，2-永磁调速器，3-五自由度无轴承异步电机，4-底座，5、6-径向两自由度无轴承电机，7-轴向单自由度磁轴承，8-电机转子轴，9、10-电机定子铁心，11-轴向磁轴承定子，12、13-异步电机转子铁心，14-吸力盘，15、16-径向检测基准盘，17-径向位移传感器，18-轴向位移传感器，19-前端盖，20-后端盖，21、22-辅助轴承，23-永磁转子，24-导体转子，25-调节机构，26-电动执行器，27-第一径向气隙，28-第一轴向气隙，29-第二径向气隙，30-第二轴向气隙，31-悬浮绕组，32-转矩绕组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
具体实施方式如图1-3所示，本发明公开了一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法，该传动系统结构由负载1、永磁调速器2、五自由度无轴承异步电机3和底座4组成。
五自由度无轴承异步电机3包括两个径向两自由度无轴承电机5、6，一个轴向单自由度磁轴承7和电机转子轴8。两个径向两自由度无轴承电机5、6和轴向单自由度磁轴承7均套设于电机转子轴8上。两个径向两自由度无轴承电机5、6和轴向单自由度磁轴承7的定子上分别排列有两个电机定子铁心9、10和轴向磁轴承定子11。参见图3，径向两自由度无轴承电机5、径向两自由度无轴承电机6上排列有电机定子铁心9、电机定子铁心10，轴向单自由度磁轴承7上排列有轴向磁轴承定子11。
在电机定子铁心9、10和轴向磁轴承定子11对应的电机转子轴8上分别设置有异步电机转子铁心12、13和吸力盘14。电机定子铁心9、电机定子铁心10对应的电机转子轴8上分别设置有异步电机转子铁心12、异步电机转子铁心13，轴向磁轴承定子11对应的电机转子轴8上设置有吸力盘14。
五自由度无轴承异步电机3上还设置一个外圆筒，外圆筒设置于五自由度无轴承异步电机3外侧，固定于电机定子铁心9、10和轴向磁轴承定子11上，五自由度无轴承异步电机3由两个端盖19、20、两个辅助轴承21、22支撑。
该传动系统结构还包括两个径向检测基准盘15、16，八个径向位移传感器17、一个轴向位移传感器18、两个端盖(前端盖19、后端盖20)。两个径向检测基准盘15、16套固于电机转子轴8两端，每4个径向位移传感器17正对一个径向检测基准盘，轴向位移传感器18垂直设置于其中一个检测基准盘一侧。
永磁调速器2包括永磁转子23、导体转子24、调节机构25和电动执行器26。电动执行器26与调节机构25连接，永磁转子23和导体转子24之间存在第一径向气隙27和第一轴向气隙28，通过调整气隙可获得负载1转速，控制器调节永磁转子23的轴向移动。导体转子24刚性连接电机转子轴8，永磁转子23通过调节机构25刚性连接负载1。
永磁转子23和导体转子24之间的第一径向气隙长度27大于异步电机定子铁心9和异步电机转子铁心12之间的第二径向气隙29，永磁转子23和导体转子24之间的第一轴向气隙长28大于轴向磁轴承定子11和吸力盘14之间的第二轴向气隙长度30。
永磁转子23和导体转子24之间第一轴向气隙长28和第一径向气隙长度27取值范围为2～5mm。异步电机的第二径向气隙29长度和磁轴承第二轴向气隙30长度取值范围为0.3～1.5mm。
无轴承异步电机3两个电机定子铁心9、10开有定子槽，定子槽分为内外两层，外层嵌入转矩绕组32，内层嵌入悬浮绕组31，转子12表面开有转子槽并在其表面分布转子导条。三相对称转矩绕组32极对数PM与悬浮绕组31极对数PB之间满足加减一的关系，两套转矩绕组32由一个三相对称交流电源直接供电。
三相对称交流电源频率为fM，电机转子轴8转速nN＝(60fM)/PM。调节机构25根据电动执行器26信号控制永磁转子23轴向移动实现负载转速和转矩调节，永磁转子23转速输出范围为(0～nN)r/min
无轴承异步电机控制方法分为转矩绕组32控制和悬浮绕组31控制；电机转矩绕组32通入三相对称交流电源，转速通过永磁调速器2调节。悬浮绕组31的磁场位置和位移信号通过径向位移传感器17、轴向位移传感器18检测，控制器根据气隙磁场位置与转子径向偏移调节悬浮绕组31电流。
本实施方式中，永磁调速器2调速范围为0～3000r/min，永磁转子23固定在负载1转轴上，通过调节永磁转子23和导体转子24之间的气隙实现负载1轴上的输出转矩变化。
本发明公开的一种无轴承异步电机传动系统的控制方法，电动执行器26与PID控制器连接，具体包括如下步骤：
步骤1：径向位移传感器17、轴向位移传感器18检测径向和轴向位移XL、YL和Z，两个径向位移传感器17检测径向位移XL，两个径向位移传感器17检测轴向位移YL，最后轴向位移传感器18检测Z方向位移，与位移给定信号X*＝Y*＝Z*＝0进行比较得到误差作为PID控制器输入信号：
ΔXL＝-XL,ΔYL＝-YL,ΔXR＝-XR,ΔYR＝-YR,ΔZ＝-Z
步骤2：误差经PID控制器产生径向悬浮力给定信号并根据力/电流变换公式为：
其中，NM和NB为转矩绕组和悬浮绕组每相匝数，pM和pB分别为转矩绕组和悬浮绕组极对数，l为电机铁心有效长度，r为转子外径；Lm2为径向力绕组互感；i1α为在α-β坐标系下转矩绕组电流在α轴分量，i1β为在α-β坐标系下转矩绕组电流在β轴分量，Ψα为在α-β坐标系下气隙磁链在α轴分量，Ψβ为在α-β坐标系下气隙磁链在β轴分量，F1x为悬浮力在x轴分量，F1y为悬浮力在y轴分量，i2α为在α-β坐标系下悬浮力绕组电流在α轴分量，i2β为在α-β坐标系下悬浮绕组电流在β轴分量，F2x为悬浮力在x轴分量，F2y为悬浮力在y轴分量。
步骤3：经过CLARK逆变换得到转矩绕组的给定三相电流
其中，Ψ1α为转矩绕组在α-β坐标系下α轴气隙磁链分量，Ψ1β为转矩绕组在α-β坐标系下β轴气隙磁链分量，u1α为转矩绕组在α-β坐标系下α轴电压分量，R1s为转矩绕组电阻，L1s为转矩绕组电感，i1α为在α-β坐标系下转矩绕组在α轴分量；Ψ2α为径向力绕组在α-β坐标系下α轴气隙磁链分量，Ψ2β为径向力绕组在α-β坐标系下β轴气隙磁链分量，u2α为径向力绕组在α-β坐标系下α轴电压分量，R2s为径向力绕组电阻，L2s为径向力绕组电感，i2α为在α-β坐标系下径向力绕组在α轴分量。
步骤4：最后经过三相功率驱动逆变电路(CRPWM)输出控制电机悬浮力绕组三相电流iu,iv,iw，实现无轴承永磁同步电机径向悬浮位置控制：
通过传感器可检测悬浮绕组的磁场方向和磁场位置，控制器系统中安装的位移传感器测得电机的位移偏量x和y，通过PID模块获得点击给定位移x*和y*之间的差值，获得在x-y分量上的悬浮绕组的偏移角度：当转矩绕组通入一个固定频率的电流，悬浮绕组通入与转矩绕组同频率的电流时，悬浮绕组和转矩绕组初相位之差为:θ2＝θS-θT，其中θs为悬浮绕组初相位，θT为转矩绕组初相位；磁场的角度位置与偏移量之间的关系决定产生径向力的方向。
控制器只需通过控制悬浮绕组31初相位与电流大小控制悬浮力，转矩绕组32的初相位与电流大小固定不变。
工作原理：
永磁转子23通过调节机构25连接负载1，调节机构25根据电动执行器26信号调节永磁转子23轴向移动实现转速和转矩传递。电机转矩绕组32通入三相对称电流，通过检测转矩绕组32电流与转子角频率，PID控制器计算出转矩绕组32气隙磁场磁链与转子位置角，然后根据径向和轴向位移调节悬浮绕组31电流，实现转子稳定悬浮。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无轴承异步电机传动系统的控制方法，其特征在于，所述传动系统由负载(1)、永磁调速器(2)、五自由度无轴承异步电机(3)和底座(4)组成；所述五自由度无轴承异步电机(3)包括两个径向两自由度无轴承电机(5)、(6)、一个轴向单自由度磁轴承(7)和电机转子轴(8)；两个径向两自由度无轴承电机(5)、(6)和轴向单自由度磁轴承(7)均套设于电机转子轴(8)上；两个径向两自由度无轴承电机(5)、(6)和轴向单自由度磁轴承(7)的定子上分别排列有两个电机定子铁心(9)、(10)和轴向磁轴承定子(11)；在电机定子铁心(9)、(10)和轴向磁轴承定子(11)对应的电机转子轴(8)上分别设置有异步电机转子铁心(12)、(13)和吸力盘(14)；还包括两个径向检测基准盘(15)、(16)，八个径向位移传感器(17)、一个轴向位移传感器(18)、两个端盖(19)、(20)；所述两个径向检测基准盘(15)、(16)套固于电机转子轴(8)两端，每4个径向位移传感器(17)正对一个径向检测基准盘(15)，所述轴向位移传感器(18)垂直设置于其中一个检测基准盘(16)一侧；所述永磁调速器(2)包括永磁转子(23)、导体转子(24)、调节机构(25)和电动执行器(26)；所述电动执行器(26)与所述调节机构(25)连接，所述永磁转子(23)和导体转子(24)之间存在第一径向气隙(27)和第一轴向气隙(28)；所述导体转子(24)刚性连接所述电机转子轴(8)，所述永磁转子(23)通过调节机构(25)刚性连接负载(1)；
两个电机定子铁心(9)、(10)开有定子槽，定子槽分为内外两层，内层嵌入悬浮绕组(31)，外层嵌入三相对称转矩绕组(32)，三相对称转矩绕组(32)极对数PM与悬浮绕组(31)极对数PB之间满足加减一的关系，两套转矩绕组(32)由一个三相对称交流电源直接供电；所述电动执行器(26)与PID控制器连接，具体包括如下步骤：
步骤1：径向位移传感器(17)、轴向位移传感器(18)检测径向和轴向位移XL、YL和Z，与位移给定信号X*＝Y*＝Z*＝0进行比较得到误差作为PID控制器输入信号：
ΔXL＝-XL,ΔYL＝-YL,ΔXR＝-XR,ΔYR＝-YR,ΔZ＝-Z
步骤2：误差经PID控制器产生径向悬浮力给定信号并根据力/电流变换公式为：
其中，NM和NB为转矩绕组和悬浮绕组每相匝数，pM和pB分别为转矩绕组和悬浮绕组极对数，l为电机铁心有效长度，r为转子外径，Lm2为径向力绕组互感；i1α为在α-β坐标系下转矩绕组电流在α轴分量，i1β为在α-β坐标系下转矩绕组电流在β轴分量，Ψα为在α-β坐标系下气隙磁链在α轴分量，Ψβ为在α-β坐标系下气隙磁链在β轴分量，F1x为悬浮力在x轴分量，F1y为悬浮力在y轴分量，i2α为在α-β坐标系下悬浮力绕组电流在α轴分量，i2β为在α-β坐标系下悬浮绕组电流在β轴分量，F2x为悬浮力在x轴分量，F2y为悬浮力在y轴分量；
步骤3：经过CLARK逆变换得到转矩绕组的给定三相电流
其中，Ψ1α为转矩绕组在α-β坐标系下α轴气隙磁链分量，Ψ1β为转矩绕组在α-β坐标系下β轴气隙磁链分量，u1α为转矩绕组在α-β坐标系下α轴电压分量，R1s为转矩绕组电阻，L1s为转矩绕组电感，i1α为在α-β坐标系下转矩绕组在α轴分量；Ψ2α为径向力绕组在α-β坐标系下α轴气隙磁链分量，Ψ2β为径向力绕组在α-β坐标系下β轴气隙磁链分量，u2α为径向力绕组在α-β坐标系下α轴电压分量，R2s为径向力绕组电阻，L2s为径向力绕组电感，i2α为在α-β坐标系下径向力绕组在α轴分量；
步骤4：最后经过三相功率驱动逆变电路CRPWM输出控制电机悬浮力绕组三相电流iu,iv,iw，实现无轴承永磁同步电机径向悬浮位置控制：
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，PID控制器通过控制悬浮绕组(31)控制悬浮力；转矩绕组(32)的初相位与电流大小固定不变。
3.根据权利要求1的一种无轴承异步电机传动系统，其特征在于，所述永磁转子(23)和导体转子(24)之间的第一径向气隙长度(27)大于异步电机定子铁心(9)和异步电机转子铁心(12)之间的第二径向气隙(29)，永磁转子(23)和导体转子(24)之间的第一轴向气隙长(28)大于轴向磁轴承定子(11)和吸力盘(14)之间的第二轴向气隙长度(30)。
4.根据权利要求3所述的一种无轴承异步电机传动系统，其特征在于，所述永磁转子(23)和导体转子(24)之间第一轴向气隙长(28)和第一径向气隙长度(27)取值范围为2～5mm；异步电机的第二径向气隙(29)长度和磁轴承第二轴向气隙(30)长度取值范围为0.3～1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种无轴承异步电机传动系统，其特征在于，所述三相对称交流电源频率为fM，电机转子轴(8)转速nN＝(60fM)/PM；调节机构(25)根据电动执行器(26)信号控制永磁转子(23)轴向移动实现负载转速和转矩调节，所述永磁转子(23)转速输出范围为(0～nN)r/min。
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Assignee: Shanghai Yanqiao Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980051141

Denomination of invention: A Bearingless Asynchronous Motor Transmission System and Its Control Method

Granted publication date: 20231020

License type: Common License

Record date: 20231211

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