双绕组无轴承磁通切换电机转子空间位置信息观测方法

1.本发明涉及一种双绕组无轴承磁通切换电机转子空间位置信息观测方法。


背景技术：

2.双绕组无轴承磁通切换电机具有磁通切换电机与磁轴承的优点，不仅具有磁通切换电机转矩密度高、转子结构简单、永磁体易散热等特点，而且具有磁轴承的无机械摩擦损耗的特点，在飞轮储能、半导体工业、生物制药领域具有广阔的应用前景。
3.双绕组无轴承磁通切换电机的定子上包含功率绕组和悬浮绕组。功率绕组主要用来提供气隙偏置磁场，控制转子的切向旋转；悬浮绕组要用来提供气隙调制磁场，控制转子的径向悬浮。定子结构是由12个u型冲片拼接而成，永磁体放置在两个相邻的u型定子铁芯的中间，并且采用切向充磁方式。转子部分呈凸极型结构，是由硅钢片叠压而成。电机的定、转子具有双凸极性特点，使得该电机具有很强的聚磁效应，进一步提高了永磁材料的利用率。电机在实际工作时，需要利用径向位移传感器来检测转子的空间位置信息。并将该转子的径向位移信息传送到控制器中，再由控制器计算悬浮绕组的控制信号，从而实现了对转子的径向悬浮控制。
4.由于径向位移传感器成本过高、且在装配过程中必须考虑其安装位置。当电机处于长期运行过程中，温度过高会影响转子位移信息的检测精度，甚至会带来损坏的风险。这对电机的正常运行将产生严重影响。为了降低电机的制造成本，同时又能保证电机可靠运行，研究出一种转子空间位置信息的检测方法以此替代传统径向位移传感器，这将会对无轴承磁通切换电机的工业化应用产生重要意义。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双绕组无轴承磁通切换电机转子空间位置信息观测方法，在无需安装径向位移传感器条件下，不仅实现了对转子空间位置的检测，而且还降低电机制造成本的，增强了系统运行的可靠性。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种双绕组无轴承磁通切换电机,包括定子、三相功率绕组和三相悬浮绕组；所述定子上包含12个u型定子冲片，永磁体放置在两个相邻u型定子冲片的中间位置，所述永磁体采用切向充磁方式；所述功率绕组和悬浮绕组均采用星型接法，功率绕组产生气隙偏置磁场，控制转子的切向旋转；悬浮绕组产生气隙调制磁场控制转子的径向悬浮。
8.一种双绕组无轴承磁通切换电机转子空间位置信息观测方法，包括以下步骤：
9.步骤s1:通过提取悬浮绕组中耦合的永磁磁链，并对其作相关的坐标变换转换到x和y轴上；
10.步骤s2:建立悬浮绕组耦合的永磁磁链沿x和y轴上的分量与观测转子径向位移偏移量x和y的之间的关系,实现双绕组无轴承磁通切换电机无径向位移传感器运行。
11.进一步的，所述步骤s1具体为：
12.步骤s11：将交流电压经过整流电路，电容滤波后获得悬浮绕组直流侧的母线电压u
dc
；
13.步骤s12：将所述悬浮绕组直流侧的母线电压u
dc
施加在控制悬浮绕组电流的逆变器上；
14.步骤s13：检测三相功率绕组电流i
ma
、i
mb
、i
mc
，悬浮绕组电流i
sa
、i
sb
、i
sc
；
15.步骤s14：采用有限元仿真分析双绕组无轴承磁通切换电机中的电感部分，获得功率绕组与悬浮绕组之间的互感，悬浮绕组的自感以及悬浮绕组内部之间的互感；
16.步骤s15：计算悬浮绕组磁链ψ
sa
、ψ
sb
、ψ
sc
，以及功率绕组与悬浮绕组之间的电枢磁链ψ
sma
、ψ
smb
、ψ
smc
；
17.步骤s16：将悬浮绕组磁链ψ
sa
、ψ
sb
、ψ
sc
减去功率绕组与悬浮绕组之间的电枢磁链ψ
sma
、ψ
smb
、ψ
smc
，获得悬浮绕组耦合的永磁磁链ψ
fsa
、ψ
fsb
、ψ
fsc
；
18.步骤s17：将悬浮绕组耦合的永磁磁链ψ
fsa
、ψ
fsb
、ψ
fsc
，从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系上，获得ψ
fsα
、ψ
fsβ
；
19.步骤s18：将两相静止坐标系上的ψ
fsα
、ψ
fsβ
通过坐标旋转变换，经顺时针旋转30
°
变换到x和y轴上，获得ψ
fsx
、ψ
fsy
。
20.进一步的，所述步骤s15具体为：
21.步骤s15-1：通过检测直流侧母线上的电压u
dc
，以及悬浮绕组三相逆变器桥臂的开关状态变量sa、sb、sc，计算悬浮绕组的端电压u
sa
、u
sb
、u
sc
。，其计算公式如下：
[0022][0023]
步骤s15-2：根据悬浮绕组的端电压u
sa
、u
sb
、u
sc
，悬浮绕组电流i
sa
、i
sb
、i
sc
，计算悬浮绕组的反电动势e
sa
、e
sb
、e
sc
，其计算公式如下：
[0024][0025]
其中，rs为每相悬浮绕组的电阻；
[0026]
步骤s15-3：通过对悬浮绕组的反电动势e
sa
、e
sb
、e
sc
进行积分，获得悬浮绕组磁链ψ
sa
、ψ
sb
、ψ
sc
，其计算公式如下：
[0027][0028]
步骤s15-4：由功率绕组与悬浮绕组之间的自感和互感，以及功率绕组电流i
ma
、i
mb
、i
mc
，悬浮绕组电流i
sa
、i
sb
、i
sc
，计算功率绕组与悬浮绕组之间的电枢磁链ψ
sma
、ψ
smb
、ψ
smc
；其计算公式如下：
[0029][0030]
进一步的，所述步骤s17变换计算具体为：
[0031][0032]
进一步的，所述步骤s18将ψ
fsα
、ψ
fsβ
通过坐标旋转变换获得ψ
fsx
、ψ
fsy
，其计算公式如下：
[0033][0034]
进一步的，所述步骤s2具体为：依据悬浮绕组耦合的永磁磁链ψ
fsx
、ψ
fsy
与转子径向位移偏移量x和y之间的关系，计算出转子空间位置信息x和y，其中ψ
fsx
、ψ
fsy
与转子径向位移偏移量x和y之间的关系如下所示：
[0035][0036]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0037]
1、本发明利用简单易于检测的悬浮绕组耦合永磁磁链来观测转子径向位移信息，节约了使用径向位移传感器的成本；
[0038]
2、本发明在电机长期运行温度过高时，避免了受传统径向位移传感器检测精度下降的弊端；
[0039]
3、本发明省去了径向位移传感器的信号检测处理电路，简化了电机的生产、装配过程中的复杂工序。
附图说明
[0040]
图1是本发明一实施例中双绕组无轴承磁通切换电机结构示意图；
[0041]
图2是本发明一实施例中转子空间位置信息观测的原理框图；
[0042]
图3是本发明一实施例中坐标变换示意图；
[0043]
图4是本发明一实施例中驱动硬件结构示意图；
[0044]
图5是本发明一实施例中a相悬浮绕组位置分布示意图；
[0045]
图6是本发明一实施例中a相悬浮绕组拆分成a1与a2两个线圈绕组；
[0046]
图7是本发明一实施例中沿x方向的径向位移观测值与实际值仿真结果；
[0047]
图8是本发明一实施例中沿y方向的径向位移观测值与实际值仿真结果；
[0048]
图9是本发明一实施例中沿x方向的径向位移实际值与观测值的实验结果；
[0049]
图10是本发明一实施例中沿y方向上的径向位移实际值与观测值的实验结果。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0051]
请参照图1，本发明提供一种双绕组无轴承磁通切换电机，包含三相功率绕组(a,b,c)和三相悬浮绕组(a,b,c)。定子上包含12个u型定子冲片，永磁体放置在两个相邻u型定子冲片的中间位置，且永磁体采用切向充磁方式。功率绕组和悬浮绕组均采用星型接法。功率绕组主要产生气隙偏置磁场，控制转子的切向旋转。悬浮绕组主要产生气隙调制磁场控制转子的径向悬浮。对于每相悬浮绕组而言，它是由空间对称的线圈反向串联而成。当转子未发生偏心时，每相悬浮绕组中所耦合的永磁磁链为零。当转子发生偏心时，每相悬浮绕组中所耦合的永磁磁链不再为零。因而，当转子发生径向位移变化时，会引起悬浮绕组中耦合的永磁磁链发生变化。
[0052]
参考图2，本发明提供一种双绕组无轴承磁通切换电机转子径向位移观测方法，包括以下步骤：
[0053]
步骤s1:通过提取悬浮绕组中耦合的永磁磁链，并对其作相关的坐标变换转换到x和y轴上；
[0054]
步骤s2:建立悬浮绕组耦合的永磁磁链沿x和y轴上的分量与观测转子径向位移偏移量x和y的之间的关系，可以实现双绕组无轴承磁通切换电机无径向位移传感器运行。
[0055]
优选的，在本实施例中，步骤s1具体为：
[0056]
步骤s11：将交流电压经过整流电路，电容滤波后检测悬浮绕组直流侧的母线电压u
dc
。
[0057]
步骤s12：将所述悬浮绕组直流侧的母线电压u
dc
施加在控制悬浮绕组电流的逆变器上；
[0058]
步骤s13：检测三相功率绕组电流i
ma
、i
mb
、i
mc
以及三相悬浮绕组电流i
sa
、i
sb
、i
sc
的相电流。
[0059]
步骤s14：通过有限元法仿真分析双绕组无轴承磁通切换电机中的电感m
ms
，获得功率绕组与悬浮绕组之间的互电感，悬浮绕组的自电感以及悬浮绕组内部之间的互电感。如下所示：
[0060][0061]
其中，m
sama
、m
samb
、m
samc
、m
sbma
、m
sbmb
、m
sbmc
、m
scma
、m
scmb
、m
scmc
分别为悬浮绕组a、b、c相与功率绕组a、b、c之间的互电感；l
sa l
sb l
sc
为悬浮绕组a、b、c相的自电感；m
sasb m
sasc m
sbsa m
sbsc m
scsa m
scsb
悬浮绕组a、b、c相内部之间的互电感。
[0062]
步骤s15：计算悬浮绕组磁链ψ
sa
、ψ
sb
、ψ
sc
，以及功率绕组与悬浮绕组之间的电枢磁链ψ
sma
、ψ
smb
、ψ
smc
。
[0063]
于本实施例中，所述悬浮绕组磁链ψ
sa
、ψ
sb
、ψ
sc
，以及功率绕组与悬浮绕组之间的电
枢磁链ψ
sma
、ψ
smb
、ψ
smc
获取方法如下：
[0064]
步骤s15-1：通过检测悬浮绕组直流侧母线电压u
dc
，以及悬浮绕组三相逆变器桥臂的开关状态变量sa、sb、sc，计算悬浮绕组的端电压u
sa
、u
sb
、u
sc
。，其计算公式如下：
[0065][0066]
步骤s15-2：根据悬浮绕组的端电压u
sa
、u
sb
、u
sc
，悬浮绕组电流i
sa
、i
sb
、i
sc
，计算悬浮绕组的反电动势e
sa
、e
sb
、e
sc
，其计算公式如下：
[0067][0068]
其中，rs为每相悬浮绕组的电阻。
[0069]
步骤s15-3：通过对悬浮绕组的反电动势e
sa
、e
sb
、e
sc
进行积分，获得悬浮绕组磁链ψ
sa
、ψ
sb
、ψ
sc
，其计算公式如下：
[0070][0071]
步骤s15-4：由有限元法获得功率绕组与悬浮绕组之间的互感，悬浮绕组的自感以及悬浮绕组内部之间的互感。通过检测功率绕组电流i
ma
、i
mb
、i
mc
，以及悬浮绕组电流i
sa
、i
sb
、i
sc
，计算功率绕组与悬浮绕组之间的电枢磁链ψ
sma
、ψ
smb
、ψ
smc
。其计算公式如下：
[0072][0073]
步骤s16：根据步骤s15中获得的悬浮绕组磁链ψ
sa
、ψ
sb
、ψ
sc
，功率绕组与悬浮绕组之间的电枢磁链ψ
sma
、ψ
smb
、ψ
smc
。将悬浮绕组总磁链ψ
sa
、ψ
sb
、ψ
sc
减去功率绕组与悬浮绕组之间的电枢磁链ψ
sma
、ψ
smb
、ψ
smc
，获得悬浮绕组耦合的永磁磁链ψ
fsa
、ψ
fsb
、ψ
fsc
。其计算公式如下：
[0074][0075]
步骤s17：结合图3中三相静止abc坐标系与两相静止αβ坐标系之间的位置关系，将悬浮绕组耦合的永磁磁链ψ
fsa
、ψ
fsb
、ψ
fsc
从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系上，获得ψ
fsα
、ψ
fsβ
。其计算公式如下：
[0076][0077]
步骤s18：结合图3中两相静止αβ坐标系与xy轴之间的位置关系，将两相静止坐标系上的ψ
fsα
、ψ
fsβ
通过坐标旋转变换，经顺时针旋转30
°
变换到x和y轴上，获得ψ
fsx
、ψ
fsy
。其计算公式如下：
[0078][0079]
在本实施例中，步骤s2具体为：
[0080]
根据步骤s18中获得的悬浮绕组耦合的永磁磁链沿x和y轴上的分量ψ
fsx
、ψ
fsy
。之后根据ψ
fsx
、ψ
fsy
与转子径向位移偏移量x和y之间的关系，计算出转子空间位置信息x和y。其中，ψ
fsx
、ψ
fsy
与转子径向位移偏移量x和y之间的关系式如下：
[0081][0082]
在本实施例中，如图4为本发明实施示例中的驱动系统硬件结构，包括整流电流、滤波电容、功率绕组逆变器、悬浮绕组逆变器、双绕组无轴承磁通切换电机、直流母线电压采集电路、隔离驱动电路、功率绕组电流采集电路、悬浮绕组电流采集电路、电感参数提取模块、转子位置角检测模块、dsp控制器、人机接口等。直流母线电压采集电路主要采用霍尔型电压传感器，以及相关配套的运算放大器组成的信号调理电路。功率绕组电流采集和悬浮绕组电流采集电路主要采用霍尔型电流传感器与运算放大器相结合组成。电机的电感参数提取模块主要采用有限元法对电机模型进行仿真获得。转子位置角检测采用光电旋转编码器接电平转换电路，之后在经运算放大器模块对转子位置信号处理。将所采集到的悬浮绕组直流侧母线电压u
dc
、功率绕组电流i
ma
、i
mb
、i
mc
，悬浮绕组电流i
sa
、i
sb
、i
sc
，电感参数等输送到dsp控制器中，依据本发明所提出的转子径向位移观测方法，通过dsp运算获得转子径向位移信息，之后根据转子径向位移、悬浮平面闭环控制算法获得悬浮平面的逆变器控制信号，再经隔离驱动电路驱动悬浮绕组逆变器开关管工作。功率绕组的平面控制按照传统的矢量控制算法。
[0083]
为了一般技术人员能够更好地理解本发明的技术方案，以下结合基本原理进行叙述：
[0084]
图5为a相悬浮绕组分布位置示意图，它是由空间对称的绕组反向串联而成。当转子未发生偏心时，a相悬浮绕组中所耦合的永磁磁链为零，因而a相悬浮绕组中空载反电动势相互抵消。当转子发生偏心时，a相悬浮绕组中所耦合的永磁磁链不再为零，因而a相悬浮绕组中空载反电动势存在一定的幅值。本发明基于以上双绕组无轴承磁通切换电机中悬浮绕组耦合永磁磁链的特点，结合转子偏心时的特征，建立悬浮绕组中耦合永磁磁链与转子
偏心位移之间的关系式。
[0085]
假设将整个a相悬浮可拆分成两个线圈a1与a2，如图6所示。则a1与a2线圈绕组共同组成整个a相悬浮绕组。
[0086]
对悬浮绕组a1线圈而言，当转子未发生偏心时悬浮绕组a1线圈所耦合的永磁磁链为：
[0087]
ψ
fsa1
＝ψ
f0
+ψ
f1
·
cos(θ+θ0)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0088]
其中，ψ
fsa1
表示转子未发生偏心时由悬浮绕组a1线圈所耦合的永磁磁链，ψ
f0
表示悬浮绕组a1线圈所耦合的永磁磁链的直流分量，ψ
f1
表示其对应的基波分量，θ表示转子位置角，θ0表示转子的初始位置角度。
[0089]
当考虑转子发生偏心后，a1线圈所耦合的永磁磁链可表示成下列形式，
[0090][0091]
其中，ψ
′
fsa1
表示转子发生偏心时由悬浮绕组a1线圈所耦合的永磁磁链，k为表示转子偏心时由悬浮绕组线圈对应的永磁磁链耦合系数；e为转子偏心位移，为转子偏心角度。
[0092]
由悬浮绕组a1和a2线圈的空间对称位置分布关系可知，对于悬浮绕组a2线圈而言，当转子无偏心时，悬浮绕组a2线圈中所耦合的永磁的磁链为：
[0093]
ψ
fsa2
＝ψ
f2
+ψ
f3
·
cos(θ+θ0+π)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0094]
其中，ψ
fsa2
表示转子未发生偏心时由悬浮绕组a2线圈所耦合的永磁磁链，ψ
f2
表示悬浮绕组a2线圈所耦合的永磁磁链的直流分量，ψ
f3
表示其对应的基波分量。
[0095]
当转子发生偏心时，悬浮绕组a2线圈所耦合的永磁的磁链为：
[0096][0097]
其中，ψ
′
fsa2
表示转子发生偏心时由悬浮绕组a2线圈所耦合的永磁磁链。k，e，均与式(2)中的参数相一致。
[0098]
根据悬浮绕组线圈a1与a2满足绕组的对称性，则ψ
f0
＝-ψ
f2
；ψ
f1
＝ψ
f3
。因此，式(4)可写成下列形式：
[0099][0100]
由于a相悬浮绕组是由线圈a1与a2串联组成，因此，对于整个a相悬浮绕组而言，当转子发生偏心时，其所耦合的永磁磁链为：
[0101][0102]
同理，对于b相和c相悬浮绕组所耦合的永磁磁链分别为：
[0103]
[0104]
令，k
·
ψ
f0
＝ψ
fse0
，k
·
ψ
f1
＝ψ
fse1
，则当转子发生偏心时，三相悬浮绕组a、b、c耦合到的永磁磁链可以表示为：
[0105][0106]
从上式中可以看出，当e和确实时，每相悬浮绕组耦合的永磁磁链是由直流分量和基波分量所组成。
[0107]
为了便于后续分析转子空间位置的变化特点，结合图3可知，将a相、b相、c相悬浮绕组所耦合的永磁磁链经过3s/2s变换，之后在顺时针旋转30
°
转换到x-y轴上。则，
[0108][0109]
其中，ψ
fx
表示三相悬浮绕组a、b、c所耦合的永磁磁链沿x轴上的分量，ψ
fy
表示三相悬浮绕组a、b、c所耦合的永磁磁链沿y轴上的分量。由于将其带入到式(9)中可得，
[0110][0111]
因此，当悬浮绕组所耦合的永磁磁链ψ
fx
、ψ
fy
、ψ
fse0
、ψ
fse1
已知，且转子初始位置角度θ0，以及转子的位置角度θ确定时，通过联立求解方程组可得，
[0112][0113]
故，从上述分析中可以看出，根据悬浮绕组耦合的永磁磁链可以获得转子的空间位置信息。
[0114]
实施例1：
[0115]
为了说明本发明的有效性，分别从simulink仿真分析和实验验证的角度进行说明。
[0116]
(1)simulink仿真分析
[0117]
依据本发明转子空间位置信息提取思路，搭建simulink仿真模型，转子沿x、y方向
径向位移观测值与实际值比较结果，如图7、8所示。
[0118]
从图7、8中可以看出，经过一段时间当控制器进入稳定后，本发明所提的转子径向位移观测方法能准确跟踪上实际值的变化。
[0119]
(2)实验比较
[0120]
通过实验硬件电路，根据本发明所提转子空间位置观测方法对双绕组无轴承磁通切换电机转子空间位置进行观测。当电机转速为400r/min时，获得沿x、y方向的径向位移观测值与实际值的结果，如图9、10所示。
[0121]
从图9、10中可以得出，实验获得的沿x和y方向上的径向位移均能跟踪上实际转子径向位移的变化，进一步验证了本发明所提方法的有效性。
[0122]
故，从上述分析中可以看出，从simulik仿真分析和实验验证均可得出观测值能够准确跟踪上实际的径向位移变化，因而可得出本发明所提转子空间位置观测方法的有效性。
[0123]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。