CN103997176A

CN103997176A - 一种无轴承无刷直流电机及悬浮力控制方法

Info

Publication number: CN103997176A
Application number: CN201410223255.4A
Authority: CN
Inventors: 朱熀秋; 单龙; 刁小燕; 刘奕辰; 潘伟
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangyin Intellectual Property Operation Co., Ltd
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-05-26
Also published as: CN103997176B

Abstract

本发明公开一种无轴承无刷直流电机及悬浮力控制方法，电机悬浮力绕组由U1-V1-W1和U2-V2-W2两套绕组系组成，U1-V1-W1绕组系由U1、V1、W1三相绕组组成，U2-V2-W2绕组系由U2、V2、W2三相绕组组成，每相绕组都有两个相同的线圈串联连接组成，共12个线圈，12个线圈按线圈U1、U2、W1、W2、V1、V2、U1、U2、W1、W2、V1、V2顺序沿逆时针方向依次缠绕于12个定子齿上；任意时刻有且只有一套绕组系导通；转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器仅需通断12次，减少了逆变器开关器件的开关次数，降低了对逆变器的要求，降低了控制***的复杂度，提高电机的工作效率。

Description

一种无轴承无刷直流电机及悬浮力控制方法

技术领域

本发明涉及一种无轴承无刷直流电机，具体是无轴承无刷直流电机及悬浮力控制方法，适用于无轴承无刷直流电机的高性能控制，属于电力传动控制的技术领域。

背景技术

无轴承无刷直流电机是将无轴承技术应用于无刷直流电机而形成的一种新型电机，同时具备无轴承技术和无刷直流电机的优点，在血液泵、高速/超高速离心机、牙科和手术用高速器具等生物医学领域及飞轮储能新能源领域应用广泛。无轴承无刷直流电机包括定子、永磁转子、悬浮力绕组和转矩绕组，在永磁定子槽中嵌入一套悬浮力绕组，使得悬浮力绕组与转矩绕组共用定子铁心，在电机控制***的控制下，悬浮力绕组与转矩绕组所产生的磁场通过气隙共同作用于永磁转子，实现转子的悬浮与旋转。

现代工业应用中对电机控制***性能的要求越来越高，为了改善电机的性能，不仅要对电机本体结构进行改进，也要采用先进的控制策略对电机进行控制。传统的无轴承无刷直流电机的悬浮力控制方法通常根据检测到的转子角的不同，相应地导通单相悬浮力绕组来产生转子径向悬浮力，此控制方法虽然能够实现转子的稳定悬浮，但其明显存在的不足是：电机转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器需通断24次，繁琐地改变悬浮力绕组的导通状态，自然提高了对逆变器的要求，增加了控制***的复杂程度，占用了过多的软件***时钟周期，且转子所受的单位电流径向悬浮力小，使得这种传统的控制方法难以满足高性能控制***的要求。

发明内容

为了进一步提高无轴承无刷直流电机的工作性能，本发明提出了一种无轴承无刷直流电机的悬浮力控制方法，采用悬浮力绕组三相同时导通的方法产生转子径向悬浮力实现转子的稳定悬浮，降低控制***的复杂度，增加转子单位电流径向悬浮力。

为实现上述目的，本发明一种无轴承无刷直流电机采用如下技术方案：最外部是圆筒形的环形定子，环形定子内同轴套有转轴，转轴外同轴固定套装转子铁芯，多个永磁体以表贴式沿转子铁芯的圆周表面均匀分布，相邻的两个永磁体的极性相反，环形定子的内表面上沿圆周上均匀分布12个定子齿，转矩绕组和悬浮力绕组均缠绕在定子齿上；悬浮力绕组由U1-V1-W1和U2-V2-W2两套绕组系组成，U1-V1-W1绕组系由U1、V1、W1三相绕组组成，U2-V2-W2绕组系由U2、V2、W2三相绕组组成，每相绕组都有两个相同的线圈串联连接组成，共12个线圈，12个线圈按线圈U1、U2、W1、W2、V1、V2、U1、U2、W1、W2、V1、V2顺序沿逆时针方向依次缠绕于12个定子齿上。

本发明所述无轴承无刷直流电机的悬浮力控制方法采用如下技术方案：任意时刻有且只有一套绕组系导通，当U1-V1-W1绕组系导通时，线圈U1、V1、W1分别产生悬浮力、；当U2-V2-W2绕组系导通时，线圈U2、V2、W2分别产生悬浮力、；任意一套绕组系导通时所产生的悬浮力共同决定一个平面，产生平面内的悬浮力。

进一步地，当转子铁芯和转轴逆时针旋转产生的转子角θ为15˚~45˚、75˚~105˚、135˚~165˚、195˚~225˚、255˚~285˚、315˚~345˚之间时，U1-V1-W1绕组系导通；当转子角θ为0˚~15˚、45˚~75˚、105˚~135˚、165˚~195˚、225˚~255˚、285˚~315˚、345˚~360˚之间时，U2-V2-W2绕组系导通。

本发明的优点在于：

1、采用本发明提出的悬浮力控制方法，电机转子每旋转一周，控制悬浮力绕组的逆变器仅需通断12次，较传统控制方法明显地减少了逆变器开关器件的开关次数，无疑降低了对逆变器的要求，降低了控制***的复杂度。

2、本发明提出的悬浮力控制方法，任意时刻都有三相悬浮力绕组同时导通，提高悬浮力绕组的利用率，从而提高了无轴承无刷直流电机的工作效率，并且简化了驱动控制方法，使得无轴承无刷电机能够在高速离心机、牙科和手术用高速器具等生物医学领域及飞轮储能等新能源领域中广泛应用。

3、在电机尺寸，悬浮力绕组电流相同的条件下，较传统控制方法，本发明能够增大转子单位电流径向悬浮力，提高了无轴承无刷直流电机的性能指标。

附图说明

图1是本发明无轴承无刷直流电机的结构示意图；

图2是图1中U1-V1-W1绕组系导通时的悬浮力分量的方向示意图：

图3是图1中U2-V2-W2绕组系导通时的悬浮力分量的方向示意图；

图4是无轴承无刷直流电机的控制***框图；

图5是图1中U1-V1-W1绕组系通电时的悬浮力坐标变换示意图；

图6是图1中U2-V2-W2绕组系通电时的悬浮力坐标变换示意图；

图中：1.环形定子；2.转矩绕组；3.悬浮力绕组；4.定子齿；5.永磁体；6.转子铁芯；7.转轴；31. PI调节器；32、33.位移PID调节器；34.转矩绕组电流给定值计算模块；35.悬浮力绕组电流给定值计算模块；36.转矩电流跟踪型逆变器模块；37.悬浮力电流跟踪型逆变器模块；38.霍尔传感器；39. x轴向电涡流位移传感器；40. y轴向电涡流位移传感器。

具体实施方式

参见图1所示的无轴承无刷直流电机，包括环形定子1、转矩绕组2、悬浮力绕组3、定子齿4、永磁体5、转子铁芯6和转轴7。最外部是环形定子1，环形定子1为圆筒形，环形定子1内同轴套有转轴7，转轴7外同轴固定套装转子铁芯6，多个永磁体5以表贴式沿转子铁芯6的圆周表面均匀分布，相邻的两个永磁体5的极性相反。在环形定子1的内表面上沿圆周上均匀分布12个定子齿4，转矩绕组2和悬浮力绕组3均缠绕在定子齿12上。

转矩绕组2由A、B、C三相绕组组成，采用集中式绕组，A相绕组由线圈A1、A2、A3、A4依次串联组成，B相绕组由线圈B1、B2、B3、B4依次串联组成，C相绕组由线圈C1、C2、C3、C4依次串联组成，转矩绕组2按线圈A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4顺序沿逆时针方向依次缠绕于12个定子齿4上。

悬浮力绕组（3）由U1-V1-W1和U2-V2-W2两套绕组系组成，采用集中式绕组，每套绕组系有三相绕组组成，即U1-V1-W1绕组系由U1、V1、W1三相绕组组成，U2-V2-W2绕组系由U2、V2、W2三相绕组组成，每相绕组都有两个相同的线圈串联连接组成，例如：U1相绕组由两个相同的线圈U1串联连接组成， V1相绕组由两个相同的线圈 V1串联连接组成，W1相绕组由两个相同的线圈 W1串联连接组成，U2相绕组由两个相同的线圈U2串联连接组成， V2相绕组由两个相同的线圈 V2串联连接组成，W2相绕组由两个相同的线圈 W2串联连接组成，因此，共有12个线圈，每相绕组中的两个相同的线圈均沿环形定子1的圆心对称分布于两个对称的定子齿4上，也就是将12个线圈按线圈U1、U2、W1、W2、V1、V2、U1、U2、W1、W2、V1、V2顺序沿逆时针方向依次缠绕于12个定子齿4上。

电机工作时，电机转子铁芯6和转轴7逆时针旋转，产生转子角θ，悬浮力绕组3导通情况取决于转子角θ，任意时刻有且只有一套绕组系导通，当U1-V1-W1这套绕组系导通时，线圈U1、V1和W1分别产生悬浮力和；当U2-V2-W2这套绕组系导通时，线圈U2、V2和W2分别产生悬浮力和；任意一套绕组系导通时所产生的悬浮力（、或、）共同决定一个平面，改变相应悬浮力绕组系的电流的大小，可以产生平面内大小和方向可控的悬浮力，从而支承转子稳定悬浮。

当转子角θ为15˚~45˚、75˚~105˚、135˚~165˚、195˚~225˚、255˚~285˚、315˚~345˚之间时，U1-V1-W1绕组系导通，产生u1、v1、w1方向的悬浮力、，如图2所示；当转子角θ为0˚~15˚、45˚~75˚、105˚~135˚、165˚~195˚、225˚~255˚、285˚~315˚、345˚~360˚之间时，U2-V2-W2绕组系导通，产生u2、v2、w2方向的悬浮力、，其合力支承转子稳定悬浮，如图3所示。

如图4所示，实现本发明所述的无轴承无刷直流电机的控制***是由PI调节器31、位移PID调节器32、33、转矩绕组电流给定值计算模块34、悬浮力绕组电流给定值计算模块35、转矩绕组电流跟踪型逆变器36、悬浮力绕组电流跟踪型逆变器37、霍尔传感器38、x轴向电涡流位移传感器39、y轴向电涡流位移传感器40构成的。在无轴承无刷直流电机的转轴7的一端置放霍尔传感器38，用以检测转子角θ，霍尔传感器38的输出端分别连接微分模块41、转矩绕组电流给定值计算模块34和悬浮力电流给定值计算模块35这三个模块的输入端，将转轴7的转子角位置信号分别输入与之连接的这三个模块中。

悬浮力绕组电流给定值计算模块35的输入端分别连接位移PID调节器32、33的输出端，悬浮力绕组电流给定值计算模块35的输出端连接悬浮电流跟踪型逆变器37的输入端，悬浮力绕组电流跟踪型逆变器37的输出端连接无轴承无刷直流电机的悬浮力绕组3的输入端。

转矩绕组电流给定值计算模块34的输入端连接PI调节器31的输出端，转矩绕组电流给定值计算模块34的输出端连接转矩电流跟踪型逆变器36的输入端，转矩绕组电流跟踪型逆变器36的输出端连接无轴承无刷直流电机的转矩绕组2的输入端。

参见图4，将电机给定转速ω ^*与得到的实际转速ω之差经过PI调节器31得到电流给定值I ^*，将该电流给定值I ^*输至转矩绕组电流给定值计算模块34。经转矩绕组电流给定值计算模块34输出转矩电流给定值，转矩电流给定值、经过转矩电流跟踪型逆变器36得到无轴承无刷直流电机的转矩绕组2的输入电流。对无轴承无刷直流电机实现悬浮力控制时，采用图4的控制***，具体步骤如下：

1、采用霍尔传感器38检测得到无轴承无刷直流电机的转子角θ。

2、利用x轴向电涡流位移传感器39检测无轴承无刷直流电机的转子的x轴方向上的实际位移，将给定的x轴方向上的参考位移x^* 与x轴方向上的实际位移之差经过位移PID调节器32计算出无轴承无刷直流电机转子沿x轴方向上的悬浮力给定值；同理，利用y轴方向上的电涡流位移传感器40检测无轴承无刷直流电机的转子的y轴方向上的实际位移，将给定的y轴方向上的参考位移y ^*与y轴方向上的实际位移之差经过位移PID调节器33计算出无轴承无刷直流电机转子沿y轴方向上的悬浮力给定值。

3、将x轴方向上的悬浮力给定值，y轴方向上的悬浮力给定值和转子角θ输至悬浮力绕组电流给定值计算模块35，当转子角θ位于15˚~45˚、75˚~105˚、135˚~165˚、195˚~225˚、255˚~285˚、315˚~345˚之间时，U1-V1-W1绕组系导通，结合图5，先把x、y轴方向上的悬浮力给定值、经2/3坐标变换得到沿u1、v1、w1方向上的悬浮力给定值，计算公式如下：

，

把上式代入力/电流公式i=KF可得：

，

由以上两式可得U1-V1-W1绕组系上的电流给定值。

当转子角θ位于0˚~15˚、45˚~75˚、105˚~135˚、165˚~195˚、225˚~255˚、285˚~315˚、345˚~360˚之间时，U2-V2-W2绕组系导通，结合图6，先把x、y轴方向上的悬浮力给定值、先变换到坐标系x2、y2轴方向上的悬浮力给定值，其中x2、y2轴是由x、y轴按逆时针方向旋转30˚得到，再把经2/3坐标变换得到沿u2、v2、w2方向上的悬浮力给定值，计算公式如下：

，

把上式代入力/电流公式i=KF可得：

，

由以上两式可得U2-V2-W2绕组系上的电流给定值。

上述计算公式中：i为悬浮力电流；K为力/电流系数；F为悬浮力给定值；和分别为线圈U1、V1、W1和U2、V2、W2的悬浮力电流给定值；和分别是沿u1、v1、w1和u2、v2、w2方向上的悬浮力给定值；、分别为x、y轴方向上的悬浮力给定值。

4、将悬浮力电流给定值或经过电流跟踪型逆变器37得到无轴承无刷直流电机三相悬浮力绕组的输入电流或。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims

1.一种无轴承无刷直流电机，最外部是圆筒形的环形定子（1），环形定子（1）内同轴套有转轴（7），转轴（7）外同轴固定套装转子铁芯（6），多个永磁体（5）以表贴式沿转子铁芯（6）的圆周表面均匀分布，相邻的两个永磁体（5）的极性相反，其特征是：环形定子（1）的内表面上沿圆周上均匀分布12个定子齿（4），转矩绕组（2）和悬浮力绕组（3）均缠绕在定子齿（12）上；悬浮力绕组（3）由U1-V1-W1和U2-V2-W2两套绕组系组成，U1-V1-W1绕组系由U1、V1、W1三相绕组组成，U2-V2-W2绕组系由U2、V2、W2三相绕组组成，每相绕组都有两个相同的线圈串联连接组成，共12个线圈，12个线圈按线圈U1、U2、W1、W2、V1、V2、U1、U2、W1、W2、V1、V2顺序沿逆时针方向依次缠绕于12个定子齿（4）上。

2.根据权利要求1所述的无轴承无刷直流电机，其特征是：转矩绕组（2）由A、B、C三相绕组组成，A相绕组由线圈A1、A2、A3、A4依次串联组成，B相绕组由线圈B1、B2、B3、B4依次串联组成，C相绕组由线圈C1、C2、C3、C4依次串联组成，按线圈A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4顺序沿逆时针方向依次缠绕于12个定子齿（4）上。

3.一种如权利要求1所述无轴承无刷直流电机的悬浮力控制方法，其特征是：任意时刻有且只有一套绕组系导通，当U1-V1-W1绕组系导通时，线圈U1、V1、W1分别产生悬浮力、；当U2-V2-W2绕组系导通时，线圈U2、V2、W2分别产生悬浮力、；任意一套绕组系导通时所产生的悬浮力共同决定一个平面，产生平面内的悬浮力。

4.根据权利要求3所述的悬浮力控制方法，其特征是：当转子铁芯（6）和转轴（7）逆时针旋转产生的转子角θ为15˚~45˚、75˚~105˚、135˚~165˚、195˚~225˚、255˚~285˚、315˚~345˚之间时，U1-V1-W1绕组系导通；当转子角θ为0˚~15˚、45˚~75˚、105˚~135˚、165˚~195˚、225˚~255˚、285˚~315˚、345˚~360˚之间时，U2-V2-W2绕组系导通。

5.根据权利要求4所述的悬浮力控制方法，其特征是：在转轴（7）一端安置霍尔传感器（38）以检测转子角θ，将霍尔传感器（38）的输出端分别连接微分模块（41）、悬浮力电流给定值计算模块（35）和转矩绕组电流给定值计算模块（34）；将悬浮力电流给定值计算模块（35）的输入端分别连接PID调节器（32、33），输出端依次连接到悬浮力电流跟踪型逆变器（37）；将转矩绕组电流给定值计算模块（34）的输入端连接PI调节器（31），输出端依次连接到转矩流跟踪型逆变器（36）；在转子径向x和y轴向上分别放置x轴向、y轴向电涡流位移传感器（39、40）以检测x、y轴向上的实际位移，分别与给定的位移量x ^*和y ^*相比之后得到x和y轴方向上的位移偏差，该位移偏差经过对应的位移PID调节器生成x和y轴方向上的悬浮力给定值和；将悬浮力给定值和以及转子角θ输至悬浮力绕组电流给定值计算模块（35），根据转子角θ的不同，导通相应的绕组系。

6.根据权利要求5所述的悬浮力控制方法，其特征是：当转子角θ位于15˚~45˚、75˚~105˚、135˚~165˚、195˚~225˚、255˚~285˚、315˚~345˚之间时，将x轴方向上的悬浮力给定值，y轴方向上的悬浮力给定值和转子角θ输至悬浮力绕组电流给定值计算模块（35），将x、y轴方向上的悬浮力给定值、经2/3坐标变换得到沿u1、v1、w1方向上的悬浮力给定值，再计算出U1-V1-W1绕组系上的电流给定值；当转子角θ位于0˚~15˚、45˚~75˚、105˚~135˚、165˚~195˚、225˚~255˚、285˚~315˚、345˚~360˚之间时，将x、y轴方向上的悬浮力给定值、先变换到坐标系x2、y2轴方向上的悬浮力给定值，x2、y2轴是由x、y轴按逆时针方向旋转30˚得到，再将经2/3坐标变换得到沿u2、v2、w2方向上的悬浮力给定值，再计算出悬浮力绕组U2-V2-W2绕组系上的电流给定值；然后将悬浮力绕组电流给定值或经过悬浮力电流跟踪型逆变器（37）得到三相悬浮力绕组的输入电流或，最后输送给悬浮力绕组（3）产生悬浮力。

7. 根据权利要求3所述的悬浮力控制方法，其特征是：改变悬浮力绕组（3）的电流大小，产生平面内大小和方向可控的悬浮力。