CN106936285A - 单绕组无轴承无刷直流电机及其转矩悬浮控制方法 - Google Patents

单绕组无轴承无刷直流电机及其转矩悬浮控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无轴承无刷直流电机，其电机壳体内设置有定子和转子，定子设置在转子的外周；定子沿圆周方向等分成四段定子单元，每段定子单元上等距分布三个定子凸极；每段定子单元的定子凸极均绕装有三相绕组。本发明还公开了上述电机的转矩及其悬浮控制方法：直流电源经转矩控制模块和悬浮控制模块联合调节供电，只通过一套绕组来同时驱动转子的转矩及其悬浮控制。采用本发明的单绕组控制方法可以简化无轴承无刷直流电机结构，减少绕组数量，减轻电机重量且降低控制难度。

Description

单绕组无轴承无刷直流电机及其转矩悬浮控制方法
技术领域
本发明涉及一种电机，特别涉及一种无轴承无刷直流电机，是一种单绕组永磁转子结构的三相无轴承无刷直流电机。
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。
在现有的技术中，无轴承无刷直流电机都有两套绕组，一套悬浮力绕组和一套转距绕组，两套绕组共用定子铁心，在电机控制***的控制下，分别通入电流，由此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。但是由于其使用了两套绕组，电机结构较为复杂且控制难度较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的无轴承无刷直流电机，简化电机结构，提高工作性能，降低控制难度。
为了简化无轴承无刷直流电机的电机结构，提高其工作性能，本发明提出了一种新型的无轴承无刷直流电机，只使用一套电机绕组来同时控制电机的转矩和悬浮力，简化了电机结构并且降低了控制***的复杂程度，同时提高无轴承无刷直流电机的性能。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种无轴承无刷直流电机，包括电机本体及检测控制***；所述电机本体，包括壳体，壳体内设有定子和转子，壳体内腔最外部是由四段圆弧定子单元构成，分为两对对称垂直分布，分别控制x和y方向上的悬浮力，四段圆弧定子单元内同轴套有转轴没转轴外同轴固定套装转子铁芯，四个永磁体以表贴式沿转子铁芯圆周表面均匀分布，相邻永磁体极性相反，每段圆弧定子上有三个定子凸极，分别绕装有三相绕组。
本发明工作时，由直流电源经逆变器调节供电，对各段圆弧定子单元中的三相绕组按时序通入电流，可以驱动转子正向或者逆向转动。通过径向电涡流位移传感器反馈的数据，差动改变相互对称圆弧定子单元电流的大小，来调节悬浮径向力的大小，平衡转子径向力来保证转子的平衡。在保证电机的基本转矩控制的同时实现悬浮力的控制来平衡转子的径向力。
上述无轴承无刷直流电机的控制方法的技术是采用如下步骤。首先，单绕组无轴承无刷直流电机的控制模块主要由三部分组成，分为转矩控制模块、悬浮控制模块和差动调节模块。在电机内部设置三个传感器，分别是霍尔传感器用以检测转子转角，电涡流x，y方向位移传感器用以检测转子与定子之间的气隙间距。转矩控制模块根据给定电机转速和转向以及霍尔传感器检测得到的转子转角θ，直流电源经逆变器调节输出三相电流，圆弧定子各套三相绕组通电方式为A→AB→B→BC→C→CA→A的循环通电方式,其输出电流分别为iA,iB,iC。悬浮控制模块根据x，y轴向电涡流位移传感器检测到的x，y轴向的气隙间距x,y与电机给定的参考值x*，y*经两个pid调节器得到转子x，y轴向悬浮力FX，Fy，将悬浮力Fx，Fy均输至悬浮力绕组电流给定值计算模块得到悬浮电流ix，iy。再经过差动调节输出12组电流至12个线圈上，以此实现共用一套绕组同时实现转矩和悬浮控制。
附图说明
图1是本发明单绕组无轴承无刷直流电机的绕组布置图
图中：1-壳体；2-定子磁轭；3-转矩悬浮绕组；4-定子齿；5-转轴；6-表贴式永磁体；
7-转子铁心。
图2是控制***结构和电机连接图；
图3(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)分别是在A，AB，B，BC，C，CA相通电时悬浮力产生的相位图
具体实施方式
参见图1，电机由壳体1，定子磁轭2，定子齿4，表贴式永磁体6，转轴5，转矩悬浮绕组3，转子铁芯7组成。定子磁轭2为圆筒形，定子磁轭2内套装转轴，转轴表面套装转子铁心，永磁体以表贴式均匀安装在转子铁心上，相邻永磁铁极性相反。定子磁轭2，转轴5，转子铁心7三者同轴，定子磁轭分为四段圆弧定子单元。每段圆弧定子单元上有三个定子齿，共计十二个定子齿。转矩悬浮绕组均缠绕在定子齿上。
转矩悬浮绕组由A,B,C三相绕组组成，采用短距绕组，每相绕组由四个线圈组成，其中，A相绕组由A1、A2、A3、A4线圈组成；B相绕组由B1、B2、B3、B4线圈组成；C相绕组由C1，C2，C3，C4线圈组成，共计12个线圈，这12个线圈按照A1→B1→C1→A2→B2→C2→A3→B3→C3→A4→B4→C4的方向顺时针分布于相应的定子齿上，每个线圈独立供电。
电机工作时，根据给定的转速和转向和转子当前角位置θ，转矩控制模块计算输出转矩电流iA*，iB*，iC*，经过电流跟踪型逆变器得到无轴承无刷直流电机的转矩输出电流iA，iB，iC，悬浮控制模块计算输出悬浮电流ix，iy。转矩控制模块和悬浮控制模块具体控制方式如下所述，当转子角度位于0°～15°、90°～105°、180°～195°、270°～285°时A相通电，15°～30°、105°～120°、195°～210°、285°～290°时AB同时通电，30°～45°、120°～135°、210°～225°、300°～315°时B相通电，45°～60°、135°～150°、225°～240°、315°～330°时BC同时通电，60°～75°、150°～165°、240°～255°、330°～345°时C相通电，75°～90°、165°～180°、255°～270°、345°～360°时CA同时通电。
根据x，y轴方向电涡流位移传感器检测到的气隙间距经PID控制器计算出给定的悬浮力给定值Fx*和Fy*，在经过相位变换为Fx，Fy，变换具体方式为。首先，线圈分布方式如附图1所示，A，B，C三相线圈顺时针分布且相邻间距角度为30°，A1-A3，A2-A4，B1-B3，B2-B4，C1-C3，C2-C4对称分布，A1-A3与A2-A4，B1-B3与B2-B4，C1-C3与C2-C4之间为垂直分布,且对称绕组相电流方向相反。当A相通电时。A1，A2，A3，A4线圈同时通电，此时
当AB通电时，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4线圈同时通电，此时
当B通电时，B1，B2，B3，B4线圈同时通电，无需变换
当BC通电时，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4线圈同时通电，此时
当C通电时，C1，C2，C3，C4线圈同时通电，此时
当CA通电时，A1，A2，A3，A4，C1，C2，C3，C4线圈同时通电，此时
表1控制电流及悬浮力与转子位置关系
根据上述表1变换方式变换得到转子不同位置时的Fx，Fy，再通过悬浮控制模块计算输出电流ix，iy。再通过差动调节模块进行差动调节，具体调节方式如下所述：iA通过ix的差动调节输出iA1＝iA+ix，iA3＝iA-ix，通过iy的差动调节输出iA2＝iA+iy，iA4＝iA-iy。iB通过ix的差动调节输出iB1＝iB+ix，iB3＝iB-ix，通过iy的差动调节输出iB2＝iB+iy，iB4＝iB-iy。iC通过ix的差动调节输出iC1＝iC+ix，iC3＝iC-ix，通过iy的差动调节输出iC2＝iC+iy，iC4＝iC-iy。总计输出iA1，iA2，iA3，iA4，iB1，iB2，iB3，iB4，iC1，iC2，iC3，iC4共计12组电流。分别输出到对应四个圆弧定子共计12相线圈绕组A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4上。由此即可达到本发明的目的。
表2各相电流差动调节方式与转子位置关系

Claims (4)

1.一种单绕组无轴承无刷直流电机，包括电机本体和检测控制单元；
所述电机本体包括壳体（1），壳体（1）内设有定子和转子，其特征在于：壳体（1）内侧设置圆筒状定子磁轭（2），定子磁轭（2）沿圆周方向等分成四段圆弧定子单元，每段圆弧定子单元上有三个定子齿（4），每段圆弧定子单元的三个定子齿（4）上绕装有三相转矩悬浮绕组（3）；以圆弧定子单元的相绕组对应连接有一组按时序变化的电流输出单元来实现电机的转矩控制；定子磁轭（2）内腔中设置转子，转子、定子磁轭（2）同轴设置，转子外周径向均匀分布有四个表贴式永磁体（6）；四段圆弧定子单元为两两对称垂直分布，分别控制x，y方向的悬浮力，同时每段圆弧定子单元上的三个定子齿上通入三相时序电流，同时控制电机转矩输出；
所述检测控制单元包括x,y方向位移传感器，转子转角检测霍尔传感器，转矩控制模块，悬浮控制模块，电流差动调节模块以及电流输出单元；x，y方向传感器和霍尔传感器检测到转子位移及转角位置信号，将其传递给悬浮控制模块进行悬浮电流的计算，悬浮电流与转矩控制模块输出的电流通过电流差动调节模块进行差动调节，使其X或Y轴方向对称圆弧定子单元的一端电流增大，另一端电流减小，产生的径向力与转子径向力相平衡，使转子悬浮于其回转中心，以此来实现电机转子的悬浮控制。
2.根据权利要求1所述的单绕组无轴承无刷直流电机，其特征在于：所述转矩悬浮绕组（3）由ABC三相绕组构成，每相绕组分别由四个线圈构成，绕组按照A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4线圈的顺序依次沿逆时针方向缠绕于定子齿（4）上，每个线圈独立供电。
3.根据权利要求1所述的单绕组无轴承无刷直流电机，其特征在于：所述转子包括转轴（5）、转子铁心（7），定子磁轭（2）内套装转轴（5），转轴（5）表面套装转子铁心（7），永磁体（6）以表贴式均匀安装在转子铁心（7）上，相邻永磁体（6）极性相反。
4.利用权利要求1-3所述的一种无轴承无刷直流电机进行悬浮力以及转矩控制方法，其特征在于：所述控制方法为通过检测控制单元检测转子的x,y方向位移以及转子转角位置，根据不同的位移量和转子角度来计算其转矩电流和悬浮电流，通过悬浮电流和转矩电流差动调节的方式，输出12组电流，分别对定子上绕装的12相绕组供电，以实现其转子的悬浮和转矩控制；具体包括以下步骤：
（1）转矩控制模块根据给定电机转速和转向以及霍尔传感器检测得到的转子转角θ，直流电源经逆变器调节输出三相电流，圆弧定子单元各套三相绕组通电方式为A → AB → B→ BC → C → CA → A 的循环通电方式，其输出电流分别为i A ,i B ,i C ；
（2）悬浮控制模块根据x，y轴向电涡流位移传感器检测到的x，y轴向的气隙间距x,y与电机给定的参考值x*，y*经两个pid调节器得到转子x，y轴向悬浮力FX，Fy，将悬浮力 F x，F y 均输至悬浮力绕组电流给定值计算模块，得到悬浮电流i x ，i y ；
（2）再经过差动调节输出12组电流至12个线圈上，以此实现共用一套绕组同时实现转矩和悬浮控制。
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