一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，該方法基于空間對稱氣隙磁場相反方向調制思想，構建三相懸浮繞組；每一相懸浮繞組流過電流產生固定方向的懸浮力，包括較大幅值的直流分量和隨轉子位置變化的較小幅值的交流分量；根據實際轉子徑向偏離中心誤差，在三相懸浮繞組中流過近似等幅值的對稱連續懸浮電流，實現轉子穩定懸浮。本發明采用的低依賴轉子位置的三相定子永磁型無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法能夠進一步提高定子永磁型無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制的可靠性。
【專利說明】
-種H相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法
技術領域
[0001] 本發明設及電機轉子懸浮控制領域，特別是設及一種=相無軸承磁通切換電機轉 子懸浮控制方法。
【背景技術】
[0002] 永磁同步電機利用永磁體激磁，降低了繞組電流，提高了電機運行的工作效率及 電機的功率密度。傳統的永磁體放置在旋轉的轉子上，使得永磁體的熱量難W散發，從而誘 發永磁體退磁風險。為此，學者提出了定子永磁型磁通切換電機，將永磁體嵌放在定子上， 便于熱量的快速散發，同時由于轉子上只有凸極式娃鋼片，便于高速運行。
[0003] 傳統的電機轉軸利用機械軸承支撐，從而限制了電機的旋轉速度及容量；同時也 帶來了旋轉磨損及污染。所W，為了實現電機高速、無污染、高效率運行，有必要對定子永磁 型無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制進行研究。
[0004] 為了實現磁通切換電機瞬時轉矩控制，通常需要轉子同軸安裝轉子位置角傳感 器，W便獲得轉子位置信息。但從可靠性角度，當然希望轉子懸浮控制對轉子位置角信息依 賴程度盡可能降低，甚至不要轉子位置角信息。為了實現轉子懸浮控制，可W采用兩相懸浮 繞組，也可W采用=相懸浮繞組。但前者需要兩個獨立的單相逆變橋進行控制，而后者只需 要=相逆變橋即可。所W，從降低系統成本及增強驅動系統平穩運行角度，懸浮控制繞組采 用=相較佳。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明的目的是提供一種=相定子永磁型無軸承磁通切換電機轉子懸 浮控制方法，能夠提高定子永磁型無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制的可靠性。
[0006] 本發明采用W下方案實現:一種=相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，包 括W下步驟：
[0007] 步驟SI:根據懸浮繞組連接結構，制作無軸承磁通切換電機；
[000引步驟S2:利用轉子位置傳感器進行角檢測，實時檢測出轉子旋轉機械角度0r;
[0009] 步驟S3:根據轉子旋轉機械角度0r計算單位懸浮繞組電流產生懸浮力幅值，輸出 懸浮力幅值。3"、打。古"，其計算數學模型如下：
[0010]
[0011]
[0012]
[0013] 步驟S4:檢測X和y方向轉子徑向位移，分別輸出X方向和y方向轉子位移值X和y，并 計算出X和y方向位移誤差-X和-y;
[0014] 步驟S5:將X和y方向的位移誤差-X和-y分別傳送給轉子徑向位移控制器，分別輸 出X和y方向的轉子懸浮力給定值巧;.
[0015] 步驟S6:將轉子懸浮力給定值這、與及懸浮力幅值Fam、Fbm、Fcm同時傳送給S相懸 浮繞組電流給定計算，輸出=相懸浮繞組電流給定值苗、4、^，其計算數學模型如下：
[0016]
[0017]
[0018] 步驟S7:將S相懸浮繞組電流給定值4傳送給電流控制器，實現實際懸 浮繞組電流跟蹤各自的給定值，實現轉子徑向穩定懸浮。
[0019] 進一步地，所述步驟Sl中制作無軸承磁通切換電機采用功率繞組和懸浮繞組共同 繞制在定子磁極上的雙繞組結構，定子鐵屯、由12個U型娃鋼片構成，相鄰的兩個U型娃鋼片 之間夾一塊沿切向充磁的永磁體，轉子鐵忍由具有齒槽結構的娃鋼片沖壓而成。
[0020] 進一步地，所述步驟Sl中，懸浮繞組連接結構的懸浮控制裝置包括=相逆變器、無 軸承磁通切換電機、直流母線電壓采集電路、=相繞組電流采集電路、轉子徑向位移檢測電 路、轉子位置角檢測電路、隔離驅動電路、中央控制器W及人機接口；所述中央控制器與所 述直流母線電壓采集電路、=相繞組電流采集電路、轉子徑向位移檢測電路、轉子位置角檢 測電路W及隔離驅動電路相連，所述無軸承磁通切換電機與所述=相逆變器、轉子徑向位 移檢測電路W及轉子位置角檢測電路相連;所述=相逆變器還與所述隔離驅動電路相連。 [0021 ]進一步地，所述S相逆變器中采用的功率管包括IGBT與M0FET;
[0022] 進一步地，所述中央控制器包括DSP或單片機。
[0023] 進一步地，所述無軸承磁通切換電機包括定子永磁型無軸承磁通切換電機。
[0024] 進一步地，所述轉子位置角檢測電路包括傳感器與電平轉換電路，所述傳感器包 括旋轉編碼器或旋轉變壓器。
[0025] 進一步地，所述轉子徑向位移檢測電路包括電滿流傳感器與電平轉換電路。
[0026] 進一步地，所述步驟S4所采用的徑向位移傳感器包括PI控制器。
[0027] 進一步地，所述步驟S5所采用電流控制器包括PI控制器。
[0028] 本發明所提電機中功率繞組控制器可W是基于電機穩態數學模型構建的變壓變 頻控制器，也可W是基于電機瞬態數學模型建立的矢量控制器或直接轉矩控制器。
[0029] 與現有技術相比，本發明具有如下優點：1)采用永磁體激磁，實現了電機高功率因 數及高效率運行;2)采用定子永磁結構，便于永磁體散熱，有效避免了永磁體不可逆退磁的 風險;3)每一相懸浮繞組產生懸浮力在空間位置固定，其幅值中含有較大的直流量，降低了 轉子懸浮控制對轉子位置角的依賴程度，提高了懸浮控制的可靠性及降低了懸浮控制系統 的成本;4)采用=相懸浮繞組結構，減少了控制轉子懸浮的逆變橋個數，從而進一步降低了 轉子懸浮控制系統成本。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發明的懸浮控制方法示意框圖。
[0031] 圖2(a)是本發明的第一種定子永磁型磁通切換電機橫截面只有功率繞組的示意 圖。
[0032] 圖2(b)是本發明的第一種定子永磁型磁通切換電機橫截面只有懸浮繞組的示意 圖。
[0033] 圖3(a)是本發明的第二種定子永磁型磁通切換電機橫截面只有功率繞組的示意 圖。
[0034] 圖3(b)是本發明的第二種定子永磁型磁通切換電機橫截面只有懸浮繞組的示意 圖。
[0035] 圖4是本發明的懸浮控制裝置示意圖。
[0036] 圖5本發明的=懸浮繞組中流過單位正方向電流產生懸浮力示意圖。
[0037] 圖6本發明的=懸浮繞組中流過單位正方向電流產生懸浮力幅值示意圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0039] 本實施例提供一種=相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，如圖1所示，包括 W下步驟：
[0040] 步驟SI:根據懸浮繞組連接結構，制作無軸承磁通切換電機；
[0041] 步驟S2:利用轉子位置傳感器進行角檢測，實時檢測出轉子旋轉機械角度0r;
[0042] 步驟S3:根據轉子旋轉機械角度0r計算單位懸浮繞組電流產生懸浮力幅值，輸出 懸浮力幅值。3111前111爪111，其計算數學模型如下：
[0043] Fam = Flm-FpmSin(Pr 目廣 30)
[0044] Fbm = Flm-FpmSin(pr0r+9〇)
[0045] Fcm = Flm-FpmSin(Pr 目r巧 10);
[0046] 步驟S4:檢測X和y方向轉子徑向位移，分別輸出X方向和y方向轉子位移值X和y，并 計算出X和y方向位移誤差-X和-y，所采用的徑向位移傳感器可W采用電滿流傳感器；
[0047] 步驟S5:將X和y方向的位移誤差-X和-y分別傳送給轉子徑向位移控制器，分別輸 出X和y方向的轉子懸浮力給定值詩、，所采用徑向位移控制器可W是PI控制器，也可W 是其他滿足要求的控制器；
[004引步驟Se:將轉子懸浮力給定值詩、與及懸浮力幅值Fam、Fbm、Fcm同時傳送給S相懸 浮繞組電流給定計算，輸出=相懸浮繞組電流給定值4、其計算數學模型如下：
[0049]
[(K)加]
[0化1]步驟S7:將S相懸浮繞組電流給定值C、4、傳送給電流控制器，實現實際懸 浮繞組電流跟蹤各自的給定值，實現轉子徑向穩定懸浮，所采用的電流控制器可W是PI控 制器，也可W是其他滿足要求的控制器。
[0052]在本實施例中所述步驟Sl中制作無軸承磁通切換電機采用功率繞組和懸浮繞組 共同繞制在定子磁極上的雙繞組結構，如圖2(a)和圖2(b)所示的定子永磁型無軸承磁通切 換電機橫截面中，定子鐵屯、由12個U型娃鋼片構成，相鄰的兩個U型娃鋼片之間夾一塊沿切 向充磁的永磁體，充磁方向如圖中箭頭所示;轉子鐵忍由具有齒槽結構的娃鋼片沖壓而成。 功率繞組與普通的定子永磁型磁通切換電機中一樣，可W是=相，也可W采用多相結構，例 如圖2(a)中示范了=相功率繞組中a相連接方式。懸浮繞組中每一個線圈兩個導體邊放置 在定子相鄰的兩個U型沖片之間，按圖2(b)中連接方式連接成=相Y型結構，分別記為Sa、Sb、 S。。為了進一步便于定子沖片的安裝，本實施例制成的定子永磁型無軸承磁通切換電機也 可W采用圖3(a)和圖3(b)所示的具有導磁磁橋的形式，U型娃鋼片沖片利用磁橋柱、導磁磁 橋連接成一個整體，功率繞組繞制方法與圖2(a)和圖2(b)中相同，懸浮繞組線圈繞制在磁 橋柱上。
[0053] 在本實施例中，從電機結構和控制兩方面，綜合提出了低依賴轉子位置角的=相 定子永磁型無軸承磁通切換電機轉子穩定懸浮控制方法，利用在定子上嵌入=相懸浮繞 組，各自產生空間位置固定的懸浮力;借助于懸浮繞組懸浮力與其流進的懸浮電流數學模 型，產生實際電機穩定懸浮力的懸浮繞組電流。利用轉子位置角檢測環節檢測出轉子位置 角0r，將該位置角送給單位懸浮繞組電流產生懸浮力幅值計算環節后，輸出懸浮力幅值Fam、 Fbm、Fcm;利用兩個正交的轉子徑向位移傳感器測量出位移值X和y;根據位移誤差-X和-y，利 用兩個位移控制器輸出X和y方向的轉子懸浮力給定氣、;根據懸浮繞組流過電流與其 產生的懸浮力關系，求出=相懸浮繞組電流給定C、/;、,'；：;再利用=相電流控制器，實現實 際懸浮繞組電流跟蹤其給定值，從而實現轉子穩定懸浮。所述定子永磁型無軸承磁通切換 電機轉子懸浮控制方法框圖如圖1所示。
[0054] 在本實施例中，所述步驟Sl中，圖4所示，懸浮繞組連接結構的懸浮控制裝置包括 =相逆變器、無軸承磁通切換電機、直流母線電壓采集電路、=相繞組電流采集電路、轉子 徑向位移檢測電路、轉子位置角檢測電路、隔離驅動電路、中央控制器W及人機接口；所述 中央控制器與所述直流母線電壓采集電路、=相繞組電流采集電路、轉子徑向位移檢測電 路、轉子位置角檢測電路W及隔離驅動電路相連，所述無軸承磁通切換電機與所述=相逆 變器、轉子徑向位移檢測電路W及轉子位置角檢測電路相連;所述=相逆變器還與所述隔 離驅動電路相連。
[0055] 在本實施例中，所述S相逆變器中采用的功率管包括IGBT與M0FET;
[0056] 在本實施例中，所述中央控制器包括DSP或單片機。
[0057] 在本實施例中，所述無軸承磁通切換電機包括定子永磁型無軸承磁通切換電機。 [005引在本實施例中，所述繞組電流采集電路采用霍爾電流傳感器與運算放大器相結合 方式構成，也可W采用繞組串功率電阻后接差分運算放大器相結合方式構成。采用霍爾方 案可W有效實現控制回路與主回路的電氣隔離，采用繞組串功率電阻方案可W降低驅動系 統成本。所述直流母線電壓采集電路采用霍爾電壓傳感器與運算放大器相結合方式構成， 也可W采用并聯電阻，分壓后接由運算放大器構成的電壓跟隨器相結合方式構成。
[0059] 在本實施例中，所述轉子位置角檢測電路包括傳感器與電平轉換電路，所述傳感 器包括旋轉編碼器或旋轉變壓器。所述轉子徑向位移檢測電路包括電滿流傳感器與電平轉 換電路。各種檢測電路輸出的弱電信號送到中央控制器A/D轉換模塊。根據取得的信號和轉 子懸浮控制策略計算出應發出的控制信號，經由隔離驅動去控制逆變器中的功率開關管的 開關動作，實現轉子穩定懸浮。
[0060] 本實施例基于空間對稱氣隙磁場相反方向調制思想，構建=相懸浮繞組;每一相 懸浮繞組流過電流產生固定方向的懸浮力，包括較大幅值的直流分量和隨轉子位置變化的 較小幅值的交流分量;根據實際轉子徑向偏離中屯、誤差，在=相懸浮繞組中流過近似等幅 值的對稱連續懸浮電流，實現轉子穩定懸浮。
[0061 ] 其基本原理如下所述：
[00創立懸浮繞組Sa、Sb、Sc中流過單位正方向電流后，各自產生的懸浮力Fa、Fb、Fc分別位 于Xy坐標平面的30度、270度和150度方向上，如圖5所示，懸浮力幅值。3。前。少"隨轉子位置 角0r變化示意如圖6所示，忽略其中較高次諧波后，懸浮力幅值Fam、Fbm、Fcm可近似如下公式 所示，其中Flm為懸浮力幅值中直流分量，Fpm懸浮力幅值中交流分量峰值，Pr為轉子齒數：
[0063]
[0064]
[00 化]
[0066] 根據W上公式W及圖5懸浮力位置關系可得=相懸浮繞組Sa、Sb、Sc分別流過電流 13、山、1。后，產生懸浮力分別如下公式所示，其中6^%^^心1 5嘴別為30度、270度、150度旋 轉因子：
[0067] Fa= iaFameJSO
[006引 Fb = ibFbmej270
[0069] Fc=icFcme"5〇
[0070] 將W上公式得到的=相懸浮力分別向X軸和y軸方向投影，并且考慮=相繞組星型 連接方式，可得xy平面內懸浮力表達式如下：
[0071]
[0072] 根據上式W及實際轉子懸浮控制需要，若需產生的懸浮力在X軸和y軸上的分量分 別為Fx和Fy，則懸浮繞組Sa和Sc中應流過電流如下：
[0073]
[0074] 根據懸浮繞組星形連接方式可得b相懸浮繞組電流如下：
[0075] ib = -ia_ic。
[0076] W上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與 修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【主權項】
1. 一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在于:包括以下步驟： 步驟S1:根據懸浮繞組連接結構，制作無軸承磁通切換電機； 步驟S2:利用轉子位置傳感器進行角檢測，實時檢測出轉子旋轉機械角度0r; 步驟S3:根據轉子旋轉機械角度0!·計算單位懸浮繞組電流產生懸浮力幅值，輸出懸浮力 幅值?_上^。》，其計算數學模型如下： Fam = Flm-FpmSin(pr9r-30) Fbm = Flm-FpmSin(pr9r+90) Fcm = Flm-FpmSin(pr9r+210); 步驟S4:檢測x和y方向轉子徑向位移，分別輸出x方向和y方向轉子位移值x和y，并計算 出X和y方向位移誤差-X和-y; 步驟S5:將X和y方向的位移誤差-X和-y分別傳送給轉子徑向位移控制器，分別輸出X和 y方向的轉子懸浮力給定值<、< ; 步驟S6:將轉子懸浮力給定值<、4及懸浮力幅值Fam、Fbm、F?同時傳送給三相懸浮繞 組電流給定計算，輸出三相懸浮繞組電流給定值/】、?|、'，其計算數學模型如下：步驟S7:將三相懸浮繞組電流給定值傳送給電流控制器，實現實際懸浮繞組 電流跟蹤各自的給定值，實現轉子徑向穩定懸浮。2. 根據權利要求1所述的一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在 于:所述步驟S1中制作無軸承磁通切換電機采用功率繞組和懸浮繞組共同繞制在定子磁極 上的雙繞組結構，定子鐵心由12個U型硅鋼片構成，相鄰的兩個U型硅鋼片之間夾一塊沿切 向充磁的永磁體，轉子鐵芯由具有齒槽結構的娃鋼片沖壓而成。3. 根據權利要求1所述的一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在 于:所述步驟S1中，懸浮繞組連接結構的懸浮控制裝置包括三相逆變器、無軸承磁通切換電 機、直流母線電壓采集電路、三相繞組電流采集電路、轉子徑向位移檢測電路、轉子位置角 檢測電路、隔離驅動電路、中央控制器以及人機接口；所述中央控制器與所述直流母線電壓 采集電路、三相繞組電流采集電路、轉子徑向位移檢測電路、轉子位置角檢測電路以及隔離 驅動電路相連，所述無軸承磁通切換電機與所述三相逆變器、轉子徑向位移檢測電路以及 轉子位置角檢測電路相連;所述三相逆變器還與所述隔離驅動電路相連。4. 根據權利要求3所述的一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在 于:所述三相逆變器中采用的功率管包括IGBT與MOFET;5. 根據權利要求3所述的一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在 于:所述中央控制器包括DSP或單片機。6. 根據權利要求3所述的一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在 于:所述無軸承磁通切換電機包括定子永磁型無軸承磁通切換電機。7. 根據權利要求3所述的一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在 于:所述轉子位置角檢測電路包括傳感器與電平轉換電路，所述傳感器包括旋轉編碼器或 旋轉變壓器。8. 根據權利要求3所述的一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在 于:所述轉子徑向位移檢測電路包括電渦流傳感器與電平轉換電路。9. 根據權利要求1所述的一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在 于:所述步驟S4所采用的徑向位移傳感器包括PI控制器。10. 根據權利要求1所述的一種三相無軸承磁通切換電機轉子懸浮控制方法，其特征在 于:所述步驟S7所采用電流控制器包括PI控制器。
【文檔編號】H02P6/00GK105827159SQ201610319331
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】周揚忠, 吳漢童, 吳赫, 鐘天云
【申請人】福州大學