无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机及控制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机及控制方法
本专利技术涉及一种电机，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。
技术介绍
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，额外需要两套三相逆变器。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。可以看出，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以及制造过程中成本的提高。可以预见，主动控制自由度的减少除了可以缩小电机体积，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。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，一套三相逆变器用于转速控制，从而实现悬浮和旋转的同时控制。这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)仅采用一套三相逆变器进行控制，分别利于用d轴电流id控制轴向悬浮，q轴电流iq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。
技术实现思路
本专利技术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。为了解决上述技术问题，本专利技术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心，上层定子和下层定子安装在转子的外周，所述转子采用永磁转子形式，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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术中，所述径向被动磁轴承为斥力型永磁被动磁轴承。本专利技术中，所述转子永磁体布置方式可采用表面贴装式、表面插入式、内置径向式、内置切向式或Halbach阵列式结构。本专利技术中，所述轴向位移传感器和转子位置传感器为霍尔传感器、电涡流传感器、电感式传感器或光电传感器中任意一种。本专利技术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z*比较，经PD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ω与给定转速信号ω*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下层定子绕组电流给定式中，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。本专利技术的有益效果在于：(1)、本专利技术无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机结构简单，其定子采用无槽结构，消除了电机齿槽效应，具有转矩波动小，运行平稳，噪声低，损耗低等优点，降低了定子中的磁密饱和，增大了电机的负载能力，适用于多种特殊场合，如超洁净领域、高功率密度应用场合等；(2)、无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机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；(3)、无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机控制系统简单，两个径向、两个扭向共四个自由度通过永磁径向磁轴承实现被动悬浮控制，而轴向和旋转方向只需两套三相逆变器、一套控制器就能够实现转子轴向悬浮和转矩的独立控制，具有结构紧凑、成本低、控制方便等优点。附图说明图1为本专利技术整体结构示意图；图2为本专利技术机体剖面示意图；图3为本专利技术机体立体结构图；图4为本专利技术线圈展开和绕组受力原理图；图5为本专利技术控制框图；图6为本专利技术空载时的反电势波形；图7为本专利技术加载时轴向力和转矩与定子电流幅值的关系，其中：(a)为上层定子、(b)为下层定子、(c)为双层定子；图8为本专利技术加载时转速和轴向位移跟踪图；图中：1-机壳、2-转子、3-上层定子、4-下层定子、5-不导磁转轴、6-径向被动磁轴承、7-轴向位移传感器、8-测量盘、9-转子位置传感器、10-转子位置测量磁环、11-定子轭、12-绕组、13-转子永磁体、14-转子轭。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本实施例中以永磁体为钕铁硼，轴向位移传感器7采用电涡流传感器，转子位置传感器9采用霍尔传感器，控制器采用数字信号处理器(DSP)实现,其包括PD控制器和PI控制器，上层绕组为轴向右偏、下层绕组为轴向左偏的三相电机为例，详细说明本专利技术的技术方案：如图1、2和3所示，本专利技术无槽斜绕组轴向主动悬浮无轴承电机包括径向机壳1、永磁转子2、上层定子3、下层定子4、不导磁转轴5、第一三相逆变器(InverterⅠ)、第二三相逆变器(InverterⅡ)、控制器、轴向位移传感器7、转子位置传感器9。永磁转子2、上层定子3、下层定子4和不导磁转轴5安装在机壳1内。永磁转子2为上下两层分别与上层定子3和下层定子4对应，永磁转子2由转子轭14和永磁体13构成，两者之间采用表面贴装式结构。上层定子3和下层定子4设置在永磁转子2的外周，上层定子3和下层定子4均由无槽定子轭11和轴向倾斜环形绕制的绕组12构成，上、下层绕组倾斜方向角关于电机轴向对称(即于电机径向平面垂直的方向，上层轴向右偏α角，则下层轴向左偏α角，如图4所示)。不导磁转轴5穿过永磁转子2的中心，不导磁转轴5的两端(即定转子的两侧)分别安装径向被动磁轴承6，径向被动磁轴承6采用斥力型永磁被动磁轴承。上层定子3的绕组与第一三相逆变器连接，下层定子4的绕组与第二三相逆变器连接。第一三相逆变器和第二三相逆变器均与控制器连接。控制器产生驱动信号驱动第一三相逆变器和第二三相逆变器。轴向位移传感器7安装在机壳1的端盖上，测量盘8安装在不导磁转轴5上，测量盘8位于轴向位移传感器7的外侧。转子位置传感器9安装在机壳1的内侧且不随不本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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，所述转子采用永磁转子形式，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：所述转子永磁体布置方式可采用表面贴装式、表面插入式、内...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁强，王晓琳，武谷雨，倪拓成，邓智泉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32