定子永磁型无轴承同步电机转子悬浮控制方法技术

本发明专利技术涉及一种定子永磁型无轴承同步电机转子悬浮控制方法,在所提出的六相单绕组定子永磁型同步电机的绕组中同时流过控制转矩的电流对称分量和控制转子悬浮力的悬浮分量。基于有限元分析或实验测量方法确定出转子悬浮力模型中各系数与转子位置角关系；将流过绕组电流对称分量中有功分量、无功分量、转子位置角、xy方向转子径向位移控制器输出径向悬浮力分量给定值送给所提转子悬浮力数学模型，输出绕组电流中控制转子悬浮力的悬浮分量。利用电流闭环控制方法同时实现电流对称分量和控制转子悬浮力的悬浮分量闭环控制，最终实现了所提六相单绕组定子永磁型同步电机转子悬浮状态下旋转。

【技术实现步骤摘要】
定子永磁型无轴承同步电机转子悬浮控制方法
本专利技术涉及电动机领域，尤其涉及的是一种定子永磁型无轴承同步电机转子悬浮控制方法。
技术介绍
永磁同步电机采用永磁体提供励磁，具有效率高、体积小等优点，在工业中获得广泛应用。目前所使用的绝大多数永磁同步电机采用转子永磁结构，即将永磁体表面贴装或内插到转子铁心，定子绕组流过电流产生同步磁场拖动转子永磁体磁场同步旋转。这种转子永磁型同步电机工作原理直观，但存在三个突出缺点：1)转子永磁体散热困难，存在因温升导致永磁体永久性退磁危险；2)转子结构相对复杂，为克服高速旋转的离心力，转子永磁体必须采取特别加固措施；3)为了获得正弦波的反电动势波形，通常需要采用永磁体形状的特殊设计，这样增加了电机制造的复杂程度和成本。定子永磁型磁通切换同步电机很好地解决了转子永磁型同步电机上述缺点，它既具备双凸极永磁电机和磁通反向永磁电机转子结构简单、适合高速运行、冷却方便、容错性能好等优点，同时又拥有高功率密度、高效率、正弦反电动势的特点，已引起国内外电机界学者广泛的关注和研究。随着现代工业生产的快速发展，高速、超高速、大容量的电机驱动技术得到了越来越广泛的应用，如高速高精度机床、涡轮分子泵、高速离心机、压缩机、紧凑型发电机、飞轮储能以及航空航天领域等。要实现电机的高速、超高速可靠运转，必须首先解决高速下转子的支撑问题。另外，在化学、制药、生物工艺学、半导体工业等清洁、密封、紧凑应用场合，虽然要求电机转速不高，但转子需要无接触悬浮，以免产生污染。目前定子永磁型磁通切换同步电机转子均采用机械轴承支撑，这种机械轴承支撑制约着转子转速的提高，同时由于机械轴承的磨损带来污染、短寿命等问题。所以在定子永磁型磁通切换同步电机上实现无机械轴承支撑驱动技术，构建新型定子永磁型无轴承同步电机驱动系统具有巨大的经济价值和广阔的应用前景，同时也是一个期待解决的难题。
技术实现思路
为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种定子永磁型无轴承同步电机转子悬浮控制新方法，目的是解决定子永磁型同步电机无机械轴承支撑时转子悬浮旋转运行。该方法中电机定子采用六相对称集中绕组，空间正对的两相绕组流过悬浮电流对转子产生对应的磁拉力，六相绕组流过悬浮电流共同产生转子所需的悬浮力；六相绕组中同时流过产生转矩的对称电流分量和产生转子悬浮力的悬浮电流分量，实现转子悬浮旋转运行；电机的转矩控制可以采用直接转矩控制策略，也可以采用矢量控制策略。讲述如下。本专利技术方法的电机结构如图1所示。定子有12个“U”型导磁铁心，中间嵌入12片切向交替充磁的永磁体，充磁方向如图中箭头所示。绕组采用六相对称集中单绕组结构，分别用A相、B相、C相、D相、E相、F相标记。每一相绕组由空间轴线垂直的两个集中线圈串联而成，例如：A相由Nma1和Nma2串联而成，D相由Nmd1和Nmd2串联而成，具体串联接线如图1中所示。本专利技术方法的控制框图如图2所示。其中d轴位置对应定子无电流时A相绕组磁链幅值正向最大点，q轴超前d轴90°电角度。根据转速或位置控制器，计算出q轴电流给定值根据弱磁控制器，计算出d轴电流给定值和送给dq向6相静止坐标变换环节，输出控制电磁转矩的6相绕组电流对称分量给定值i′a～i′f；根据转子径向位移传感器，测量出转子在x方向(水平方向)位移和y方向(垂直方向)位移；根据x轴位移控制器和y轴位移控制器，分别计算出转子悬浮力x方向和y方向给定值将送给悬浮电流计算模块，计算出绕组电流悬浮分量给定值及利用定子电流给定计算环节输出6相绕组电流给定值再利用电流控制器，输出六相逆变器中功率管开关信号，实现电机转子悬浮时旋转。有效提高了转子旋转的转速，同时避免了机械轴承磨损产生的污染问题。本专利技术是在所提出的六相单绕组定子永磁型同步电机的绕组中同时流过控制转矩的电流对称分量和控制转子悬浮力的悬浮分量，实现转子悬浮状态下旋转。具体方法是：将定子绕组按照如图1所示连接成6相；基于有限元分析或测试，获得定子电流中对称分量的d、q轴投影和永磁体同时激励情况下转子受力随转子位置角θr变化关系的数学模型；根据该受力模型及转子位置角实时计算出定子绕组电流中悬浮分量；将该电流悬浮分量叠加到控制电磁转矩的电流对称分量上，最终获得六相定子绕组电流给定值后，再通过电流控制器控制逆变器中功率管，最终实现转子悬浮时旋转运行。技术特征在于它依次含有以下步骤：(1)按照图1所提电机绕组连接图连接定子绕组，构成6相单绕组定子永磁型无轴承磁通切换电机；(2)利用速度或位置PI控制器输出控制转矩的q轴电流给定值(3)利用d轴电流控制器输出控制基波磁场的d轴电流给定值(4)利用有限元分析方法或直接实验测量方法确定公式1中系数a11～a23、b11～b23、c11～c23，例如当Id＝Iq＝0，且Ibe＝Icf＝0时，在A和D相中同时流过+1A电流，有限元分析或测量转子在x方向的受力即为a11，y方向的转子受力即为a21，a11～a23中其他系数确定方法依此类推；当Id＝0，且Ibe＝Icf＝0时，在A和D相中同时流过+1A电流，有限元分析或测量转子在x方向的受力即为a11+b11，y方向的转子受力即为a21+b21，结合a11、a21确定值即可计算出b11、b21，b11～b23中其他系数确定方法依此类推；对于c11～c23系数确定方法类似于b11～b23。并将系数a11～a23、b11～b23、c11～c23与转子位置角θr关系以表格的形式存于存储器中；(5)根据转子位置角测量值θr，查存储器中固化的a11～a23、b11～b23、c11～c23与转子位置角θr关系表格，输出实时系数a11～a23、b11～b23、c11～c23；(6)依据参数a11～a23、b11～b23、c11～c23、计算系数d11～d23：(7)依据系数d11～d23，计算系数e11～e22：(8)将转子xy方向位移误差分别送给x和y轴位移PI控制器，输出转子x和y方向转子受力给定值其中K本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定子永磁无轴承同步电机转子悬浮控制方法，其中所述定子永磁无轴承同步电机为六相单绕组定子永磁型同步电机，其绕组中同时流过控制转矩的电流对称分量和控制转子悬浮力的悬浮分量，实现转子悬浮状态下旋转。

【技术特征摘要】
1.一种定子永磁无轴承同步电机转子悬浮控制方法，其中所述定子永磁无轴承同步电机为六相单绕组定子永磁型同步电机，其绕组中同时流过控制转矩的电流对称分量和控制转子悬浮力的悬浮分量，实现转子悬浮状态下旋转；具体为：将定子绕组连接成6相；基于有限元分析或测试，获得定子电流中对称分量的d、q轴投影和永磁体同时激励情况下转子受力随转子位置角θr变化关系的数学模型；根据该数学模型及转子位置角实时计算出定子绕组电流中悬浮分量；将该电流悬浮分量叠加到控制电磁转矩的电流对称分量上，最终获得六相定子绕组电流给定值后，再通过电流控制器控制逆变器中功率管，最终实现转子悬浮时旋转运行。2.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：周扬忠，程明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32