空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法，其中电机系统包括：转轴、空气轴承、电机定子、电机转子和径向位移传感器；径向位移传感器设有两组，分别设置于电机转子两侧的转轴外部，径向位移传感器用于检测所述转轴在轴和轴方向的位移；电机定子上设有定子槽，定子槽内设置有电枢绕组，电枢绕组电连接有控制器，电枢绕组根据其极对数平均分为个绕组单元，控制器包括个分别控制所述绕组单元的控制器单元，控制器单元向其对应的绕组单元的输入用于产生电磁阻尼力的阻尼电流分量。本申请的高速电机控制方法及系统可主动提供电磁阻尼，即在高速运行的工况下提供空气轴承稳定运行所需的外部阻尼。下提供空气轴承稳定运行所需的外部阻尼。下提供空气轴承稳定运行所需的外部阻尼。

【技术实现步骤摘要】
空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电机
，尤其设计一种空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]高速电机技术目前正在迅速发展，其中高速轴承是制约高速电驱动系统发展的瓶颈问题之一。电机功率和转速的提高会加剧接触式轴承的摩擦，因此大功率高速电机常采用空气轴承作为非接触式支承结构，以满足电机高速、高精、高效、耐高/低温、清洁、长寿命的工作需求。
[0003]动压空气轴承（在本文中简称空气轴承）利用旋转轴颈与静止轴承孔间隙内空气的流体动压力为转子提供承载力，结构简单紧凑、可靠性高、制造难度小、成本低，目前广泛应用于中小功率的风机。然而空气轴承无法主动控制轴承阻尼，高速运行不稳定。针对空气轴承高速运行不稳定的问题，业内尝试的方法是使用弹性支承结构为空气轴承提供外部阻尼，然而增加的外部结构较为复杂，涉及的制造工艺也较繁多，制造成本相对较高。
[0004]从本体结构设计与优化上来改善空气轴承运行性能同样存在局限性，业界也提出使用电磁手段改善空气轴承的动态特性，例如使用磁气复合轴承、无槽式电机内置电磁阻尼器以及无轴承电机等，然而各自都存在不足：磁气复合轴承设计、制造以及维护更复杂，同时占据了更大的径向或轴向空间；无槽式电机内置电磁阻尼器方案无法适用于有槽电机中，仅适用于功率小的高速电机，适用范围较窄；无轴承电机解耦控制较为复杂和困难，而且电机需同时产生转矩和较大的悬浮力，受制于系统容量，达到的功率有限。
[0005]因此，设计一种能够稳定运行的空气轴承支承的大功率高速电机十分必要。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种空气轴承支承的高速电机系统及其控制方法，本申请的高速电机控制方法及系统可主动提供电磁阻尼，即在高速运行的工况下提供空气轴承稳定运行所需的外部阻尼。
[0007]第一方面，本申请提出了一种空气轴承支承的高速电机系统，包括：转轴、空气轴承、电机定子、电机转子和径向位移传感器；所述径向位移传感器设有两组，分别设置于电机转子两侧的转轴外部，所述径向位移传感器用于检测所述转轴在轴和轴方向的位移；所述电机定子上设有定子槽，所述定子槽内设置有电枢绕组，所述电枢绕组电连接有控制器，所述电枢绕组根据其极对数平均分为个绕组单元，所述控制器包括个分别控制所述绕组单元的控制器单元，所述控制器单元向其对应的绕组单元的输入用于产生电磁阻尼力的阻尼电流分量。
[0008]优选的，所述每组径向位移传感器包括两个呈90
°
夹角设置分别测量转轴在轴和轴方向的位移的位移传感器。
[0009]优选的，所述转轴外部还设有电机转子位置传感器，所述电机转子位置传感器用于测量电机转子位置角。
[0010]第二方面，本申请还提供了一种空气轴承支承的高速电机控制方法，用于控制如上所述的空气轴承支承的高速电机系统，包括步骤如下：S1：通过径向位移传感器检测并计算电机转轴在轴和轴方向的实时运动速度、；S2：通过电机转子位置传感器检测电机转子位置角并计算电机转轴的实时转速；S3：根据电机转轴的实时运动速度、和实时转速计算当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、；S4：根据当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、计算每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值；S5：根据每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值计算每个绕组单元所需输入的阻尼电流分量。
[0011]优选的，步骤S1中所述电机转轴在轴和轴方向的实时运动速度、的计算和测量方法包括：通过位于电机转子两侧的两组位移传感器分别测量电机转轴两侧在轴和轴方向的运动速度、和、，对两组运动速度取平均值作为电机转轴轴和轴方向的运动速度、，即。
[0012]优选的，步骤S3中所述的当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、计算方法包括：S31：实验测量空气轴承在任意转速下对应的动态阻尼系数和动态刚度系数；S32：根据空气轴承的稳定条件，对质量为的转子系统，，上式展开得到关于振动频率的特征方程的根实部都小于0，因此在动态刚度系数不变时，可得出抑制振动所需的动态阻尼系数，则维持系统稳定所需提供的阻尼系数为=；
S33：当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、计算如下，，。
[0013]优选的，步骤S4中所述的每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值计算方法包括，根据当前状态下电机转子位置角确定各绕组单元对应的空间相位角，根据各绕组单元的空间相位角和电磁阻尼力、计算各绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值。
[0014]优选的，步骤S5中所述的各绕组单元所需输入的阻尼电流分量的计算方法如下：，其中为由实验测得的力
‑
电流系数。
[0015]优选的，还包括，S6：将各绕组单元的阻尼电流分量经 Park反变换求得各个绕组单元在静止两相坐标系下的电流,
…ꢀ
,。
[0016]优选的，还包括，S7：将各绕组单元在静止两相坐标系下的电流,
…ꢀ
,经Clarke反变换转换为三相坐标系电流，,
…ꢀ
,，控制器单元将上述三相坐标系电流，,
ꢀ…ꢀ
,对应的输出至各绕组单元的驱动电路。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）根据空气轴承固有的动态特性为转轴提供额外的阻尼力，提升空气轴承的高速稳定性，改善系统整体的可靠性，提高系统的极限转速；（2）与无轴承电机需要全程提供整个转轴所需的电磁支承力不同，本专利技术是基于空气轴承支承，电机在产生转矩之外仅需提供幅值不大的径向阻尼力，电流的阻尼分量较小，可以在大功率情境下应用；（3）本专利技术的技术方案相比磁气混合轴承系统，省去了磁轴承结构，节约了径向或轴向的空间，体积更小，功率密度更高；（4）本专利技术复用了电机的电枢绕组，充分利用了电机自身的有效结构，本体硬件结构简单；可以在不修改定子结构的前提下对一台普通电机进行改造，且无需增加逆变器的总容量，成本较低，普适性好；（5）提供的电磁阻尼力为分块控制，各个绕组单元之间控制相互独立，控制解耦，互相干扰少。
附图说明
[0018]图1是本专利技术实施例的电机系统结构示意图；图2是本专利技术实施例的径向位移传感器安装位置示意图；图3是本专利技术实施例的电机定子结构示意图；图4是本专利技术实施例的电枢绕组结构示意图；图5是本专利技术实施例的电枢绕组驱动电路示意图；图6是本专利技术实施例的控制模型框图。
[0019]图中，10：转轴；11：空气轴承；12：电机定子；13：电枢绕组；14：电机转子；20：径向位移传感器；30：电机转子位置传感器；40：控制器；41：驱动电路；131：第一绕组单元；132：第二绕组单元；133：第三绕组单元。
具体实施方式
[0020]以下基于实施例对本专利技术进行描述，但是本专利技术并不仅仅限于这些实施例。在下文对本专利技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本专利技术。为了避免混淆本专利技术的实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空气轴承支承的高速电机系统，其特征在于，包括转轴、空气轴承、电机定子、电机转子和径向位移传感器；所述径向位移传感器设有两组，分别设置于电机转子两侧的转轴外部，所述径向位移传感器用于检测所述转轴在轴和轴方向的位移；所述电机定子上设有定子槽，所述定子槽内设置有电枢绕组，所述电枢绕组电连接有控制器，所述电枢绕组根据其极对数平均分为个绕组单元，所述控制器包括个分别控制所述绕组单元的控制器单元，所述控制器单元向其对应的绕组单元的输入用于产生电磁阻尼力的阻尼电流分量。2.根据权利要求1所述的空气轴承支承的高速电机系统，其特征在于，所述每组径向位移传感器包括两个呈90
°
夹角设置分别测量转轴在轴和轴方向的位移的位移传感器。3.根据权利要求1所述的空气轴承支承的高速电机系统，其特征在于，所述转轴外部还设有电机转子位置传感器，所述电机转子位置传感器用于测量电机转子位置角。4.一种空气轴承支承的高速电机控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1
‑
3中任一项所述的空气轴承支承的高速电机系统，包括步骤如下：S1：通过径向位移传感器检测并计算电机转轴在轴和轴方向的实时运动速度、；S2：通过电机转子位置传感器检测电机转子位置角并计算电机转轴的实时转速；S3：根据电机转轴的实时运动速度、和实时转速计算当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、；S4：根据当前工况下维持系统稳定所需施加的电磁阻尼力、计算每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值；S5：根据每个绕组单元需施加的电磁阻尼力分量幅值计算每个绕组单元所需输入的阻尼电流分量。5.根据权利要求4所述的空气轴承支承的高速电机控制方法，其特征在于，步骤S1中所述电机转轴在轴和轴方向的实时运动速度、的计算和测量方法包括：通过位于电机转子两侧的两组位移传感器分别测量电机转轴两侧在轴和轴方向的运动速...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈建新，史丹，罗开，叶金辉，高锦辉，王云冲，黄晓艳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：