一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法，包括五自由度无轴承异步电机、永磁调速器、负载、底座。五自由度无轴承电机包括两个径向两自由度无轴承电机、一个轴向单自由度磁轴承和电机转子轴；永磁调速器包括永磁转子、导体转子、调节机构与电动执行器，导体转子刚性连接电机转子轴，永磁转子通过调节机构连接负载，调节机构根据电动执行器信号调节永磁转子轴向移动；电机转矩绕组通入三相对称电流，通过检测转矩绕组电流与转子角频率，控制器计算出转矩绕组气隙磁场磁链与转子位置角，然后根据径向和轴向位移调节悬浮绕组电流，实现转子稳定悬浮。本发明专利技术仅需控制悬浮绕组电流就可实现转子稳定悬浮，消除转子振动，控制简单。单。单。

【技术实现步骤摘要】
一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电机及其传动控制
，尤其涉及一种无轴承异步电机传动系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]无轴承异步电机集电机旋转与悬浮功能为一体，具有无摩擦、磨损、无需润滑、寿命长、能实现高速、高精运行，在航空航天、飞轮储能、石油化工等领域具有广阔的应用前景。经过30余年的科学研究，对无轴承异步电机原理、结构、控制等理论与方法已经成熟。但是，无轴承异步电机实现工业应用的技术瓶颈亟待突破，主要表现在以下几个方面：
①
.采用无轴承异步电机与混合磁轴承组成五自由度磁悬浮电机系统，然后该系统刚性连接负载轴，而负载全部采用机械轴承支承，因此，采用无轴承异步电机驱动机械轴承支承的负载并未实现轴悬浮运行，难以发挥无轴承电机技术优势。
②
.要实现无轴承异步电机转子稳定悬浮与旋转调速，必须采用控制器(如DSP)或者变频器同时协调控制转矩绕组和悬浮绕组电流大小和相位，控制极其复杂，并且只能在同步转速较小的范围内调速，低速时损耗更大，系统造价高。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对
技术介绍
中指出的问题，本专利技术提供一种无轴承异步电机调传动系统及其控制方法，该系统只需采用控制器控制悬浮绕组电流就可实现转子稳定悬浮，控制简单，调速范围从零到额定转速，调速范围广，且低速运行转时节能，具有造价低、可靠性高、成本低的优点。
[0004]技术方案：本专利技术提供一种无轴承异步电机传动系统，所述传动系统由负载、永磁调速器、五自由度无轴承异步电机和底座组成；所述五自由度无轴承异步电机包括两个径向两自由度无轴承电机、、一个轴向单自由度磁轴承和电机转子轴；两个径向两自由度无轴承电机、和轴向单自由度磁轴承均套设于电机转子轴上；两个径向两自由度无轴承电机、和轴向单自由度磁轴承的定子上分别排列有两个电机定子铁心、和轴向磁轴承定子；在电机定子铁心、和轴向磁轴承定子对应的电机转子轴上分别设置有异步电机转子铁心、和吸力盘；还包括两个径向检测基准盘、，八个径向位移传感器、一个轴向位移传感器、两个端盖、；所述两个径向检测基准盘、套固于电机转子轴两端，每4个径向位移传感器正对一个径向检测基准盘，所述轴向位移传感器垂直设置于其中一个检测基准盘一侧；所述永磁调速器包括永磁转子、导体转子、调节机构和电动执行器；所述电动执行器与所述调节机构连接，所述永磁转子和导体转子之间存在第一径向气隙和第一轴向气隙；所述导体转子刚性连接所述电机转子轴，所述永磁转子通过调节机构刚性连接负载。
[0005]进一步地，所述永磁转子和导体转子之间的第一径向气隙长度大于异步电机定子铁心和异步电机转子铁心之间的第二径向气隙，永磁转子和导体转子之间的第一轴向气隙长大于轴向磁轴承定子和吸力盘之间的第二轴向气隙长度。
[0006]进一步地，所述永磁转子和导体转子之间第一轴向气隙长和第一径向气隙长度取值范围为2～5mm；异步电机的第二径向气隙长度和磁轴承第二轴向气隙长度取值范围为0.3～1.5mm。
[0007]进一步地，两个电机定子铁心、开有定子槽，定子槽分为内外两层，内层嵌入悬浮绕组，外层嵌入三相对称转矩绕组，三相对称转矩绕组极对数P
M
与悬浮绕组极对数P
B
之间满足加减一的关系，两套转矩绕组由一个三相对称交流电源直接供电。
[0008]进一步地，所述三相对称交流电源频率为f
M
，电机转子轴转速n
N
＝(60f
M
)/P
M
；调节机构据电动执行器信号控制永磁转子轴向移动实现负载转速和转矩调节，所述永磁转子转速输出范围为(0～n
N
)r/min。
[0009]本专利技术还公开一种基于上述一种无轴承异步电机传动系统的控制方法，所述电动执行器与PID控制器连接，具体包括如下步骤：
[0010]步骤1：径向位移传感器、轴向位移传感器检测径向和轴向位移X
L
、Y
L
和Z，与位移给定信号X
*
＝Y
*
＝Z
*
＝0进行比较得到误差作为PID控制器输入信号：
[0011]ΔX
L
＝
‑
X
L
,ΔY
L
＝
‑
Y
L
,ΔX
R
＝
‑
X
R
,ΔY
R
＝
‑
Y
R
,ΔZ＝
‑
Z
[0012]步骤2：误差经PID控制器产生径向悬浮力给定信号并根据力/电流变换公式为：
[0013][0014][0015][0016]其中，N
M
和N
B
为转矩绕组和悬浮绕组每相匝数，p
M
和p
B
分别为转矩绕组和悬浮绕组极对数，l为电机铁心有效长度，r为转子外径，L
m2
为径向力绕组互感；i
1α
为在α
‑
β坐标系下转矩绕组电流在α轴分量，i
1β
为在α
‑
β坐标系下转矩绕组电流在β轴分量，Ψ
α
为在α
‑
β坐标系下气隙磁链在α轴分量，Ψ
β
为在α
‑
β坐标系下气隙磁链在β轴分量，F
1x
为悬浮力在x轴分量，F
1y
为悬浮力在y轴分量，i
2α
为在α
‑
β坐标系下悬浮力绕组电流在α轴分量，i
2β
为在α
‑
β坐标系下悬浮绕组电流在β轴分量，F
2x
为悬浮力在x轴分量，F
2y
为悬浮力在y轴分量；
[0017]步骤3：经过CLARK逆变换得到转矩绕组的给定三相电流
[0018][0019]其中，Ψ
1α
为转矩绕组在α
‑
β坐标系下α轴气隙磁链分量，Ψ
1β
为转矩绕组在α
‑
β坐标系下β轴气隙磁链分量，u
1α
为转矩绕组在α
‑
β坐标系下α轴电压分量，R
1s
为转矩绕组电阻，L
1s
为转矩绕组电感，i
1α
为在α
‑
β坐标系下转矩绕组在α轴分量；Ψ
2α
为径向力绕组在α
‑
β坐标系下α轴气隙磁链分量，Ψ
2β
为径向力绕组在α
‑
β坐标系下β轴气隙磁链分量，u
2α
为径向力绕
组在α
‑
β坐标系下α轴电压分量，R
2s
为径向力绕组电阻，L
2s
为径向力绕组电感，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无轴承异步电机传动系统，其特征在于，所述传动系统由负载(1)、永磁调速器(2)、五自由度无轴承异步电机(3)和底座(4)组成；所述五自由度无轴承异步电机(3)包括两个径向两自由度无轴承电机(5)、(6)、一个轴向单自由度磁轴承(7)和电机转子轴(8)；两个径向两自由度无轴承电机(5)、(6)和轴向单自由度磁轴承(7)均套设于电机转子轴(8)上；两个径向两自由度无轴承电机(5)、(6)和轴向单自由度磁轴承(7)的定子上分别排列有两个电机定子铁心(9)、(10)和轴向磁轴承定子(11)；在电机定子铁心(9)、(10)和轴向磁轴承定子(11)对应的电机转子轴(8)上分别设置有异步电机转子铁心(12)、(13)和吸力盘(14)；还包括两个径向检测基准盘(15)、(16)，八个径向位移传感器(17)、一个轴向位移传感器(18)、两个端盖(19)、(20)；所述两个径向检测基准盘(15)、(16)套固于电机转子轴(8)两端，每4个径向位移传感器(17)正对一个径向检测基准盘(15)，所述轴向位移传感器(18)垂直设置于其中一个检测基准盘(16)一侧；所述永磁调速器(2)包括永磁转子(23)、导体转子(24)、调节机构(25)和电动执行器(26)；所述电动执行器(26)与所述调节机构(25)连接，所述永磁转子(23)和导体转子(24)之间存在第一径向气隙(27)和第一轴向气隙(28)；所述导体转子(24)刚性连接所述电机转子轴(8)，所述永磁转子(23)通过调节机构(25)刚性连接负载(1)。2.根据权利要求1的一种无轴承异步电机传动系统，其特征在于，所述永磁转子(23)和导体转子(24)之间的第一径向气隙长度(27)大于异步电机定子铁心(9)和异步电机转子铁心(12)之间的第二径向气隙(29)，永磁转子(23)和导体转子(24)之间的第一轴向气隙长(28)大于轴向磁轴承定子(11)和吸力盘(14)之间的第二轴向气隙长度(30)。3.根据权利要求2所述的一种无轴承异步电机传动系统，其特征在于，所述永磁转子(23)和导体转子(24)之间第一轴向气隙长(28)和第一径向气隙长度(27)取值范围为2～5mm；异步电机的第二径向气隙(29)长度和磁轴承第二轴向气隙(30)长度取值范围为0.3～1.5mm。4.根据权利要求1所述的一种无轴承异步电机传动系统，其特征在于，两个电机定子铁心(9)、(10)开有定子槽，定子槽分为内外两层，内层嵌入悬浮绕组(31)，外层嵌入三相对称转矩绕组(32)，三相对称转矩绕组(32)极对数P
M
与悬浮绕组(31)极对数P
B
之间满足加减一的关系，两套转矩绕组(32)由一个三相对称交流电源直接供电。5.根据权利要求4所述的一种无轴承异步电机传动系统，其特征在于，所述三相对称交流电源频率为f
M
，电机转子轴(8)转速n
N
＝(60f
M
)/P
M
；调节机构(25)根据电动执行器(26)信号控制永磁转子(23)轴向移动实现负载转速和转矩调节，所述永磁转子(23)转速输出范围为(0～n
N
)r/min。6.一种基于权利要求4所述的一种无轴承异步电机传动系统的控制方法，其特征在于，所述电动执行器(26)与PID控制器连接，具体包括如下步骤：步骤1：径向位移传感器(17)、轴向位移传感器(18)检测径向和轴向位移X
L
、Y
L
和Z，与位移给定信号X
*
＝Y
*
＝Z
*
＝0进行比较得到误差作为PID控制器输入信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，姚瑶，岑晨，叶小婷，武莎莎，
申请(专利权)人：淮安磁科智能传动设备有限公司，
类型：发明
国别省市：