机电能量转换双边开关磁阻直线电机动子位置估测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机电能量转换双边开关磁阻直线电机动子位置估测方法，尤其适 用于各种相数双边开关磁阻直线电机。
【背景技术】
[0002] 开关磁阻电机要实施位置闭环控制才能遵循最小磁阻原理运行，但传统的位置传 感器易发生故障而失效，这降低了开关磁阻电机系统的可靠性。对开关磁阻旋转式电机无 位置传感器控制已提出了一系列方法，其本质是相同的，即通过对绕组施加激励，测量其电 流和端部电压，推导出相电感或磁链，利用转子位置对电感、磁链的映射关系得出转子位置 信息。开关磁阻直线电机可实现直线运动的机械能和电能直接转，无需中间转换装置或传 动机构，从而减小了直线运动系统的体积、重量和成本，并且可以消除中间转换或传动环节 所带来的力、速度等多种误差。由于电机加工工艺以及电机长期运行造成的轨道和轴承磨 损，双边型开关磁阻直线电机往往存在一定的偏心，采用与开关磁阻旋转式电机相似的传 统定子绕组连接方式，若要实现无位置传感器控制，由于受动子偏心影响，动子位置估测精 度不高，难以实施有效的双边型开关磁阻直线电机无位置传感器控制。因此，提供一种不受 动子偏心影响的双边开关磁阻直线电机动子位置估测方法，对实施有效的双边型开关磁阻 直线电机无位置传感器控制十分重要。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对已有技术中存在问题，提供一种方法简单、不受动子偏心影 响的、适用于各种相数的机电能量转换双边开关磁阻直线电机动子位置估测方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明机电能量转换双边开关磁阻直线电机动子位置估测方 法，包括采用双边开关磁阻直线电机，双边开关磁阻直线电机的两个定子和一个动子，两个 定子分别设在动子的两侧，双边开关磁阻直线电机的每相定子绕组由4个集中线圈组成， 两侧定子上各有2个集中线圈，将所述一侧定子上的两个集中线圈串联构成定子绕组u，另 一侧定子上的两个集中线圈串联构成定子绕组d，设定定子绕组u的电感值为Lu、定子绕组 d的电感值为Ld，在线检测电感值Lu和电感值L d，由下式计算得到双边开关磁阻直线电机定 子极和动子极的重叠距离值d :
[0006] 式中：μ。为真空磁导率值，L为双边开关磁阻直线电机叠厚值，g。为双边开关磁阻 直线电机的单侧气隙长度值，N为定子上每个集中线圈的匝数值；
[0007] 根据得到的双边开关磁阻直线电机定子极和动子极的重叠距离值d，由下式得到 双边开关磁阻直线电机动子位置估测值X :
[0008] X = d+0. 5ffms-〇. 5ffsp
[0009] 式中：Wsp为定子齿宽值，Wms为动子槽宽值，x = 0表示定子极中心线与动子槽中 心线对齐时的动子位置。
[0010] 所述的电机动子在不偏心的情况下，其动子一侧气隙长度值与另一侧气隙长度值 相同，均为单侧气隙长度值gc。
[0011] 有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明由双边开关磁阻直线电机两侧定子 绕组电感值倒数和得到双边开关磁阻直线电机定子极和动子极的重叠距离值，再由双边开 关磁阻直线电机定子极和动子极的重叠距离值、定子极宽值和动子槽宽值，得到双边开关 磁阻直线电机动子位置值，不受动子偏心影响，双边开关磁阻直线电机动子位置估测准确， 为双边开关磁阻直线电机无位置传感器控制打下了基础，适用于各种相数的机电能量转换 双边开关磁阻直线电机动子位置估测。其方法简单，效果好，具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的双边开关磁阻直线电机定子绕组线圈连接示意图。
[0013] 图2是本发明的双边开关磁阻直线电机一相通电等效磁路示意图。
[0014] 图3是本发明的动子位置值与定子极和动子极重叠距离值关系示意图。
[0015] 图4是本发明的双边开关磁阻直线电机功率变换器电路拓扑结构示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
[0017] 如图1所示，本发明的机电能量转换双边开关磁阻直线电机动子位置估测方法， 采用双边开关磁阻直线电机，双边开关磁阻直线电机的两个定子和一个动子，两个定子分 别设在动子的两侧，双边开关磁阻直线电机的每相定子绕组由4个集中线圈组成，两侧定 子上各有2个集中线圈，将所述一侧定子上的两个集中线圈串联构成定子绕组u，另一侧定 子上的两个集中线圈串联构成定子绕组d，设定定子绕组u的电感值为Lu、定子绕组d的电 感值为Ld，在线检测电感值Lu和电感值L d，由下式计算得到双边开关磁阻直线电机定子极 和动子极的重叠距离值d :
[0019] 式中：μ。为真空磁导率值，L为双边开关磁阻直线电机叠厚值，g。为双边开关磁阻 直线电机的单侧气隙长度值，在电机动子不偏心的情况下，电机动子一侧气隙长度值与另 一侧气隙长度值相同，均为单侧气隙长度值gc，N为定子上每个集中线圈的匝数值；
[0020] 根据得到的双边开关磁阻直线电机定子极和动子极的重叠距离值d，由下式得到 双边开关磁阻直线电机动子位置估测值X :
[0021] X = d+0. 5ffms-〇. 5ffsp
[0022] 式中：Wsp为定子齿宽值，Wms为动子槽宽值，x = 0表示定子极中心线与动子槽中 心线对齐时的动子位置。
[0023] 以电机的A相为例，A相绕组由绕组A 4组成，一侧定子两个绕组A JP A 2串联 连接构成一侧定子绕组Au，同样，另一侧定子A#P A 4串联连接构成另一侧侧定子绕组A d;
[0024] 以电机的B相为例，B相绕组由绕组队~B 4组成，一侧定子两个绕组B JP B 2串联 连接构成一侧定子绕组Bu，同样，另一侧定子&和B 4串联连接构成另一侧侧定子绕组B d;
[0025] 以电机的C相为例，C相绕组由绕组(；~C 4组成，一侧定子两个绕组C JP C 2串联 连接构成一侧定子绕组cu，同样，另一侧定子〇3和C 4串联连接构成另一侧侧定子绕组c d;
[0026] 以电机的B相为例，其等效磁路如图2所示，Rs为定子铁心磁阻值，Ru为一侧气隙 磁阻值，&为另一侧气隙磁阻值，R"为动子铁心磁阻值，且
[0029] 式中：μ。是真空磁导率值，A g是气隙等效磁通面积值，g u为一侧气隙长度值，g ,为 另一侧气隙长度值，电机动子不偏心情况下动子一侧的气隙长度值与另一侧气隙长度值相 同，均为gc，L为双边开关磁阻直线电机叠厚值，d为双边开关磁阻直线电机定子极和动子 极的重叠距离值，如图3所示，ε为动子偏心率，即
[0031] 式中：Δ g为动子偏心位移值。
[0032] 由于气隙磁阻值远大于定子、动子铁心磁阻值，因此磁路中忽略RjPRs的影响，如 图2所示；测点a和测点b之间近似"短路"，整个磁路分成两个独立的磁路进行分析，图2 中的Niu是一侧定子绕组线圈B JP B 2的磁势，Ni ,是另一侧定子绕组线圈B 3和B 4的磁势。
[0033] 在图2回路1中，总磁阻謂^由下式得出：
[0035] 将线圈队和线圈B 2串联，所连接成的一侧定子绕组B u的电感值L u近似计算为
[0037] 式中：N为定子上每个集中线圈的匝数值。
[0038] 同理，在图2回路2中，另一侧定子绕组Bd的电感值1^近似计算为：
[0040] 由式（5)和式（6)得出：
[0042] 双边开关磁阻直线电机两侧定子绕组^和B d的电感倒数和与双边开关磁阻直线 电机动子偏心率无关，与双边开关磁阻直线电机定子极和动子极的重叠距离值d有一一对 应关系；
[0043] 只要检测电感值Lu和电感值L ,就能由式（7)计算出重叠距离值d。
[0044] 当X = 0,则表示定子极中心线与动子槽中心线对齐时的动子位置，双边开关磁阻 直线电机动子位置值x、Wsp为定子极宽值、Wms为动子槽宽值、定子极和动子极的重叠距离 值d，由下式即可得到双边开关磁阻直线电机动子位置估测值X :
[0045] X = d+0. 5ffms-〇. 5ffsp (8)
[0046] 如图4所示，用功率变换器对双边开关磁阻直线电机定子绕组供电，A相主开关 SA1、SAjP S A。导通，续流二极管D A1、DAjP D A。关断，A相绕组励磁，电流路径如图中所示，A u和Ad分别是A相两侧定子绕组；B相主开关S B1和S B2关断、S B。导通，续流二极管D B1和D B2导通、DB。关断，B相绕组零电压续流，电流路径如图中所示，B。和B d分别是B相两侧定子绕 组；C相主开关Sa、\2和S ε。关断，续流二极管D "、％2和D ε。导通，C相绕组负电压续流电流 路径如图中所示，匕和C d分别是C相两侧定子绕组。
[0047] 通过控制主开关导通和关断，给非导通相注入高频脉冲电压，让非导通相绕组经 历励磁、零电压续流、负电压续流阶段，由各相两侧定子绕组中所响应脉冲电流幅值及脉冲 电流上升和下降时间，计算出两侧定子绕组的电感值LjPLd，再由式（7)和式（8)计算即 可得到双边开关磁阻直线电机动子位置估测值X，不受动子偏心影响。
【主权项】
1. 一种机电能量转换双边开关磁阻直线电机动子位置估测方法，包括采用双边开关磁 阻直线电机，双边开关磁阻直线电机的两个定子和一个动子，两个定子分别设在动子的两 侧，双边开关磁阻直线电机的每相定子绕组由4个集中线圈组成，两侧定子上各有2个集中 线圈，其特征在于：将所述一侧定子上的两个集中线圈串联构成定子绕组U，另一侧定子上 的两个集中线圈串联构成定子绕组d，设定定子绕组U的电感值为L。、定子绕组d的电感值 为Ld,在线检测电感值L。和电感值Ld，由下式计算得到双边开关磁阻直线电机定子极和动 子极的重叠距离值d:式中：y。为真空磁导率值，L为双边开关磁阻直线电机叠厚值，g。为双边开关磁阻直线 电机的单侧气隙长度值，N为定子上每个集中线圈的应数值； 根据得到的双边开关磁阻直线电机定子极和动子极的重叠距离值山由下式得到双边 开关磁阻直线电机动子位置估测值X: X=d+0. 5Wms-〇. 5Wsp 式中：Wsp为定子齿宽值，Wms为动子槽宽值，X=O表示定子极中屯、线与动子槽中屯、线 对齐时的动子位置。2. 根据权利要求1所述的一种机电能量转换双边开关磁阻直线电机动子位置估测方 法，其特征在于：所述的电机动子在不偏屯、的情况下，其动子一侧气隙长度值与另一侧气隙 长度值相同，均为单侧气隙长度值g。。
【专利摘要】一种机电能量转换双边开关磁阻直线电机动子位置估测方法，适用于各种相数双边开关磁阻直线电机动子位置估测，双边开关磁阻直线电机的每相定子绕组由4个集中线圈组成，每侧定子上各有2个集中线圈，一侧定子上的两个集中线圈串联构成定子绕组u，另一侧定子上的两个集中线圈串联构成定子绕组d，在线检测定子绕组u的电感值和定子绕组d的电感值，计算得到双边开关磁阻直线电机定子极和动子极的重叠距离值d，由此获得动子位置，动子位置的精度不受动子偏心程度的影响，为双边开关磁阻直线电机无位置传感器控制打下了基础，具有广阔的应用前景。
【IPC分类】H02K3/28, H02K16/04
【公开号】CN105375716
【申请号】CN201510757816
【发明人】陈昊, 王千龙, 王星
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年11月9日