無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種電機(jī)，具體講是一種無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)及控制 方法，屬于電機(jī)制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無軸承電機(jī)具有無磨損、無潤(rùn)滑、無污染等特點(diǎn)，在醫(yī)療、生物化工、半導(dǎo)體制造等 領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。在無軸承電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的兩個(gè)徑向、兩個(gè)扭向、一個(gè)軸向共5個(gè)自 由度需保證穩(wěn)定磁懸浮，而主動(dòng)控制自由度的數(shù)目決定了所需逆變器的數(shù)目。例如，傳統(tǒng)的 4自由度主動(dòng)控制的無軸承電機(jī)由圓柱形轉(zhuǎn)子和兩個(gè)無軸承電機(jī)部件串聯(lián)構(gòu)成，其中徑向 和扭向4個(gè)自由度主動(dòng)控制，而軸向通過被動(dòng)磁軸承實(shí)現(xiàn)被動(dòng)懸浮。因而，除了電機(jī)驅(qū)動(dòng)所 需的逆變器外，額外需要兩套S相逆變器。若需實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度全控制，則需要在上述的4 自由度電機(jī)上加裝一個(gè)軸向主動(dòng)磁軸承，同時(shí)采用一套單相逆變器來實(shí)現(xiàn)該磁軸承的主動(dòng) 控制?？蒞看出，主動(dòng)控制自由度數(shù)目的增多不僅導(dǎo)致電機(jī)體積增大，同時(shí)控制系統(tǒng)所需功 率器件、位移傳感器數(shù)目相應(yīng)增加，此外還使得運(yùn)行過程中功率損耗W及制造過程中成本 的提高。可W預(yù)見，主動(dòng)控制自由度的減少除了可W縮小電機(jī)體積，也有利于降低制造成本 和控制難度，因此單驅(qū)動(dòng)懸浮控制或單軸懸浮控制無軸承電機(jī)是今后的發(fā)展趨勢(shì)。
[0003] 在目前已有的單驅(qū)動(dòng)或單軸控制無軸承電機(jī)中，多采用軸向主動(dòng)控制，徑向及扭 向采用被動(dòng)穩(wěn)定。該類電機(jī)一般有兩種驅(qū)動(dòng)運(yùn)行方法；（1)采用一套單相逆變器或線性放 大器用于軸向懸浮控制，一套=相逆變器用于轉(zhuǎn)速控制，從而實(shí)現(xiàn)懸浮和旋轉(zhuǎn)的同時(shí)控制。 該種方法的缺憾在于需要較多的功率器件，增大了電機(jī)的功率損耗和體積。（2)僅采用一套 S相逆變器進(jìn)行控制，分別利于用d軸電流id控制軸向懸浮，q軸電流i?？刂妻D(zhuǎn)矩，從而實(shí) 現(xiàn)軸向懸浮與轉(zhuǎn)矩的同時(shí)控制。但是該方法的缺點(diǎn)在于采用d軸電流id控制軸向懸浮，會(huì) 對(duì)永磁體造成退磁風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，既能實(shí) 現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向懸浮和旋轉(zhuǎn)，又能夠避免永磁體退磁的無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)及 控制方法。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)包括 機(jī)殼及設(shè)置在機(jī)殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子、上層定子、下層定子和不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸，所述不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸穿過轉(zhuǎn)子 中屯、，上層定子和下層定子安裝在轉(zhuǎn)子的外周，其特征在于：所述不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸的兩端分別安 裝徑向被動(dòng)磁軸承；所述上、下層定子均由無槽定子輛和軸向傾斜環(huán)形繞制的繞組構(gòu)成， 上、下層定子上的繞組傾斜方向角關(guān)于電機(jī)軸向?qū)ΨQ；所述上層定子和下層定子的繞組上 分別連接=相逆變器，所述=相逆變器連接控制器；還包括與控制器連接的轉(zhuǎn)子位置傳感 器和軸向位移傳感器。
[0006] 本發(fā)明中，所述軸向位移傳感器安裝在機(jī)殼上，測(cè)量盤安裝在不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸上。
[0007] 本發(fā)明中，所述轉(zhuǎn)子位置傳感器安裝在機(jī)殼上，轉(zhuǎn)子位置測(cè)量磁環(huán)安裝在不導(dǎo)磁 轉(zhuǎn)軸上，所述轉(zhuǎn)子位置傳感器與轉(zhuǎn)子位置測(cè)量磁環(huán)外環(huán)共面。
[000引本發(fā)明中，所述徑向被動(dòng)磁軸承為斥力型永磁被動(dòng)磁軸承。
[0009] 本發(fā)明中，所述轉(zhuǎn)子可采用表面貼裝式、表面插入式、內(nèi)置徑向式、內(nèi)置切向式或 化化ach陣列式結(jié)構(gòu)。
[0010] 本發(fā)明中，所述軸向位移傳感器和轉(zhuǎn)子位置傳感器為霍爾傳感器、電禍流傳感器、 電感式傳感器或光電傳感器中任意一種。
[0011] 本發(fā)明還提供了上述無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)的控制方法，包括W下 步驟：
[001引1)、軸向位移傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子軸向位移反饋信號(hào)Z并與給定軸向位移信號(hào)Z化 較，經(jīng)PD控制器得到轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮所需的軸向力F,;轉(zhuǎn)子位置傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反饋 信號(hào)《與給定轉(zhuǎn)速信號(hào)比較，經(jīng)外環(huán)PI控制器得到使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩T;
[0013] 2)、對(duì)步驟1)得到的F,、T進(jìn)行解禪運(yùn)算，得到上層定子繞組電流給定V、下層定 子繞組電流給定在；
[0014]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)，包括機(jī)殼及設(shè)置在機(jī)殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子、上層 定子、下層定子和不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸，所述不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸穿過轉(zhuǎn)子中心，上層定子和下層定子安裝在 轉(zhuǎn)子的外周，其特征在于：所述不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸的兩端分別安裝徑向被動(dòng)磁軸承；所述上、下層 定子均由無槽定子軛和軸向傾斜環(huán)形繞制的繞組構(gòu)成，上、下層定子上的繞組傾斜方向角 關(guān)于電機(jī)軸向?qū)ΨQ；所述上層定子和下層定子的繞組上分別連接三相逆變器，所述三相逆 變器連接控制器；還包括與控制器連接的轉(zhuǎn)子位置傳感器和軸向位移傳感器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)，其特征在于：所述軸 向位移傳感器安裝在機(jī)殼上，測(cè)量盤安裝在不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)，其特征在于：所 述轉(zhuǎn)子位置傳感器安裝在機(jī)殼上，轉(zhuǎn)子位置測(cè)量磁環(huán)安裝在不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸上，所述轉(zhuǎn)子位置 傳感器與轉(zhuǎn)子位置測(cè)量磁環(huán)外環(huán)共面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)，其特征在于：所述徑 向被動(dòng)磁軸承為斥力型永磁被動(dòng)磁軸承。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)，其特征在于：所述轉(zhuǎn) 子可采用表面貼裝式、表面插入式、內(nèi)置徑向式、內(nèi)置切向式或Halbach陣列式結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)，其特征在于：所述軸 向位移傳感器和轉(zhuǎn)子位置傳感器為霍爾傳感器、電渦流傳感器、電感式傳感器或光電傳感 器中任意一種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)的控制方法，其特征在 于包括以下步驟： 1) 、軸向位移傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子軸向位移反饋信號(hào)z并與給定軸向位移信號(hào)f比較， 經(jīng)ro控制器得到轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮所需的軸向力fz;轉(zhuǎn)子位置傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反饋信 號(hào)《與給定轉(zhuǎn)速信號(hào)比較，經(jīng)外環(huán)PI控制器得到使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩T; 2) 、對(duì)步驟1)得到的Fz、T進(jìn)行解耦運(yùn)算，得到上層定子繞組電流給定_〇、下層定子繞 組電流給定0 :
式中，Kt為轉(zhuǎn)矩力數(shù)、Kz軸向力系數(shù)； 3)、將步驟2)得到上層定子繞組電流給定'和下層定子繞組電流給定'，與實(shí)測(cè)的電 流反饋比較，經(jīng)內(nèi)環(huán)PI控制器分別得到上層定子繞組和下層定子繞組的d、q軸給定電壓； 4) 、上層定子繞組和下層定子繞組的d、q軸給定電壓通過坐標(biāo)變化與空間矢量調(diào)制后 分別得到兩個(gè)三相逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)，屬于電機(jī)制造領(lǐng)域。包括機(jī)殼、轉(zhuǎn)子、上層定子、下層定子和不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸，不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸的兩端分別安裝徑向被動(dòng)磁軸承；上、下層定子均由無槽定子軛和軸向傾斜環(huán)形繞制的繞組構(gòu)成，上、下層定子上的繞組傾斜方向角關(guān)于電機(jī)軸向?qū)ΨQ；上層定子和下層定子的繞組上分別連接三相逆變器，三相逆變器連接控制器；還包括連接控制器的轉(zhuǎn)子位置傳感器和軸向位移傳感器。定子采用無槽結(jié)構(gòu)，消除了電機(jī)齒槽效應(yīng)；通過調(diào)節(jié)上下兩層定子繞組電流給定，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子軸向懸浮和旋轉(zhuǎn)解耦控制，解決了采用d軸電流控制軸向懸浮而引起的永磁體退磁問題。本發(fā)明還公開了無槽斜繞組軸向主動(dòng)懸浮無軸承電機(jī)的控制方法。
【IPC分類】H02K16-00, H02P21-00
【公開號(hào)】CN104810998
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510149994
【發(fā)明人】丁強(qiáng), 王曉琳, 武谷雨, 倪拓成, 鄧智泉
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年3月31日