无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种电机，具体讲是一种无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机及控制 方法，属于电机制造领域。
【背景技术】
[0002] 无轴承电机具有无磨损、无润滑、无污染等特点，在医疗、生物化工、半导体制造等 领域得到了广泛的运用。在无轴承电机中，转子的两个径向、两个扭向、一个轴向共5个自 由度需保证稳定磁悬浮，而主动控制自由度的数目决定了所需逆变器的数目。例如，传统的 4自由度主动控制的无轴承电机由圆柱形转子和两个无轴承电机部件串联构成，其中径向 和扭向4个自由度主动控制，而轴向通过被动磁轴承实现被动悬浮。因而，除了电机驱动所 需的逆变器外，额外需要两套S相逆变器。若需实现5个自由度全控制，则需要在上述的4 自由度电机上加装一个轴向主动磁轴承，同时采用一套单相逆变器来实现该磁轴承的主动 控制。可W看出，主动控制自由度数目的增多不仅导致电机体积增大，同时控制系统所需功 率器件、位移传感器数目相应增加，此外还使得运行过程中功率损耗W及制造过程中成本 的提高。可W预见，主动控制自由度的减少除了可W缩小电机体积，也有利于降低制造成本 和控制难度，因此单驱动悬浮控制或单轴悬浮控制无轴承电机是今后的发展趋势。
[0003] 在目前已有的单驱动或单轴控制无轴承电机中，多采用轴向主动控制，径向及扭 向采用被动稳定。该类电机一般有两种驱动运行方法；（1)采用一套单相逆变器或线性放 大器用于轴向悬浮控制，一套=相逆变器用于转速控制，从而实现悬浮和旋转的同时控制。 该种方法的缺憾在于需要较多的功率器件，增大了电机的功率损耗和体积。（2)仅采用一套 S相逆变器进行控制，分别利于用d轴电流id控制轴向悬浮，q轴电流i。控制转矩，从而实 现轴向悬浮与转矩的同时控制。但是该方法的缺点在于采用d轴电流id控制轴向悬浮，会 对永磁体造成退磁风险。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种结构紧凑，既能实 现转子轴向悬浮和旋转，又能够避免永磁体退磁的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机及 控制方法。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机包括 机壳及设置在机壳内的转子、上层定子、下层定子和不导磁转轴，所述不导磁转轴穿过转子 中屯、，上层定子和下层定子安装在转子的外周，其特征在于：所述不导磁转轴的两端分别安 装径向被动磁轴承；所述上、下层定子均由无槽定子辆和轴向倾斜环形绕制的绕组构成， 上、下层定子上的绕组倾斜方向角关于电机轴向对称；所述上层定子和下层定子的绕组上 分别连接=相逆变器，所述=相逆变器连接控制器；还包括与控制器连接的转子位置传感 器和轴向位移传感器。
[0006] 本发明中，所述轴向位移传感器安装在机壳上，测量盘安装在不导磁转轴上。
[0007] 本发明中，所述转子位置传感器安装在机壳上，转子位置测量磁环安装在不导磁 转轴上，所述转子位置传感器与转子位置测量磁环外环共面。
[000引本发明中，所述径向被动磁轴承为斥力型永磁被动磁轴承。
[0009] 本发明中，所述转子可采用表面贴装式、表面插入式、内置径向式、内置切向式或 化化ach阵列式结构。
[0010] 本发明中，所述轴向位移传感器和转子位置传感器为霍尔传感器、电祸流传感器、 电感式传感器或光电传感器中任意一种。
[0011] 本发明还提供了上述无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机的控制方法，包括W下 步骤：
[001引1)、轴向位移传感器测得的转子轴向位移反馈信号Z并与给定轴向位移信号Z化 较，经PD控制器得到转子稳定悬浮所需的轴向力F,;转子位置传感器测得的转子转速反馈 信号《与给定转速信号比较，经外环PI控制器得到使转子稳定旋转所需的转矩T;
[0013] 2)、对步骤1)得到的F,、T进行解禪运算，得到上层定子绕组电流给定V、下层定 子绕组电流给定在；
[0014]
【主权项】
1. 一种无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，包括机壳及设置在机壳内的转子、上层 定子、下层定子和不导磁转轴，所述不导磁转轴穿过转子中心，上层定子和下层定子安装在 转子的外周，其特征在于：所述不导磁转轴的两端分别安装径向被动磁轴承；所述上、下层 定子均由无槽定子轭和轴向倾斜环形绕制的绕组构成，上、下层定子上的绕组倾斜方向角 关于电机轴向对称；所述上层定子和下层定子的绕组上分别连接三相逆变器，所述三相逆 变器连接控制器；还包括与控制器连接的转子位置传感器和轴向位移传感器。
2. 根据权利要求1所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所述轴 向位移传感器安装在机壳上，测量盘安装在不导磁转轴上。
3. 根据权利要求1或2所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所 述转子位置传感器安装在机壳上，转子位置测量磁环安装在不导磁转轴上，所述转子位置 传感器与转子位置测量磁环外环共面。
4. 根据权利要求3所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所述径 向被动磁轴承为斥力型永磁被动磁轴承。
5. 根据权利要求4所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所述转 子可采用表面贴装式、表面插入式、内置径向式、内置切向式或Halbach阵列式结构。
6. 根据权利要求5所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，其特征在于：所述轴 向位移传感器和转子位置传感器为霍尔传感器、电涡流传感器、电感式传感器或光电传感 器中任意一种。
7. 根据权利要求1所述的无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机的控制方法，其特征在 于包括以下步骤： 1) 、轴向位移传感器测得的转子轴向位移反馈信号z并与给定轴向位移信号f比较， 经ro控制器得到转子稳定悬浮所需的轴向力fz;转子位置传感器测得的转子转速反馈信 号《与给定转速信号比较，经外环PI控制器得到使转子稳定旋转所需的转矩T; 2) 、对步骤1)得到的Fz、T进行解耦运算，得到上层定子绕组电流给定_〇、下层定子绕 组电流给定0 :
式中，Kt为转矩力数、Kz轴向力系数； 3)、将步骤2)得到上层定子绕组电流给定'和下层定子绕组电流给定'，与实测的电 流反馈比较，经内环PI控制器分别得到上层定子绕组和下层定子绕组的d、q轴给定电压； 4) 、上层定子绕组和下层定子绕组的d、q轴给定电压通过坐标变化与空间矢量调制后 分别得到两个三相逆变器的驱动信号。
【专利摘要】本发明公开了一种无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机，属于电机制造领域。包括机壳、转子、上层定子、下层定子和不导磁转轴，不导磁转轴的两端分别安装径向被动磁轴承；上、下层定子均由无槽定子轭和轴向倾斜环形绕制的绕组构成，上、下层定子上的绕组倾斜方向角关于电机轴向对称；上层定子和下层定子的绕组上分别连接三相逆变器，三相逆变器连接控制器；还包括连接控制器的转子位置传感器和轴向位移传感器。定子采用无槽结构，消除了电机齿槽效应；通过调节上下两层定子绕组电流给定，实现对转子轴向悬浮和旋转解耦控制，解决了采用d轴电流控制轴向悬浮而引起的永磁体退磁问题。本发明还公开了无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机的控制方法。
【IPC分类】H02K16-00, H02P21-00
【公开号】CN104810998
【申请号】CN201510149994
【发明人】丁强, 王晓琳, 武谷雨, 倪拓成, 邓智泉
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年3月31日