[發明專利]一種無軸承無刷直流電機及懸浮力控制方法

有效

• 申請號: 201410223255.4
• 申請日: 2014-05-26
• 公開（公告）號: CN103997176A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 朱熀秋;單龍;刁小燕;劉奕辰;潘偉
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H02K29/00
• 分類號: H02K29/00;H02K3/28;H02N15/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及一種無軸承無刷直流電機，具體是無軸承無刷直流電機及懸浮力控制方法，適用于無軸承無刷直流電機的高性能控制，屬于電力傳動控制的技術領域。

背景技術

無軸承無刷直流電機是將無軸承技術應用于無刷直流電機而形成的一種新型電機，同時具備無軸承技術和無刷直流電機的優點，在血液泵、高速/超高速離心機、牙科和手術用高速器具等生物醫學領域及飛輪儲能新能源領域應用廣泛。無軸承無刷直流電機包括定子、永磁轉子、懸浮力繞組和轉矩繞組，在永磁定子槽中嵌入一套懸浮力繞組，使得懸浮力繞組與轉矩繞組共用定子鐵心，在電機控制系統的控制下，懸浮力繞組與轉矩繞組所產生的磁場通過氣隙共同作用于永磁轉子，實現轉子的懸浮與旋轉。?

現代工業應用中對電機控制系統性能的要求越來越高，為了改善電機的性能，不僅要對電機本體結構進行改進，也要采用先進的控制策略對電機進行控制。傳統的無軸承無刷直流電機的懸浮力控制方法通常根據檢測到的轉子角的不同，相應地導通單相懸浮力繞組來產生轉子徑向懸浮力，此控制方法雖然能夠實現轉子的穩定懸浮，但其明顯存在的不足是：電機轉子每旋轉一周，控制懸浮力繞組的逆變器需通斷24次，繁瑣地改變懸浮力繞組的導通狀態，自然提高了對逆變器的要求，增加了控制系統的復雜程度，占用了過多的軟件系統時鐘周期，且轉子所受的單位電流徑向懸浮力小，使得這種傳統的控制方法難以滿足高性能控制系統的要求。

發明內容

為了進一步提高無軸承無刷直流電機的工作性能，本發明提出了一種無軸承無刷直流電機的懸浮力控制方法，采用懸浮力繞組三相同時導通的方法產生轉子徑向懸浮力實現轉子的穩定懸浮，降低控制系統的復雜度，增加轉子單位電流徑向懸浮力。

為實現上述目的，本發明一種無軸承無刷直流電機采用如下技術方案：最外部是圓筒形的環形定子，環形定子內同軸套有轉軸，轉軸外同軸固定套裝轉子鐵芯，多個永磁體以表貼式沿轉子鐵芯的圓周表面均勻分布，相鄰的兩個永磁體的極性相反，環形定子的內表面上沿圓周上均勻分布12個定子齒，轉矩繞組和懸浮力繞組均纏繞在定子齒上；懸浮力繞組由U1-V1-W1和U2-V2-W2兩套繞組系組成，U1-V1-W1繞組系由U1、V1、W1三相繞組組成，U2-V2-W2繞組系由U2、V2、W2三相繞組組成，每相繞組都有兩個相同的線圈串聯連接組成，共12個線圈，12個線圈按線圈U1、U2、W1、W2、V1、V2、U1、U2、W1、W2、V1、V2順序沿逆時針方向依次纏繞于12個定子齒上。

本發明所述無軸承無刷直流電機的懸浮力控制方法采用如下技術方案：任意時刻有且只有一套繞組系導通，當U1-V1-W1繞組系導通時，線圈U1、V1、W1分別產生懸浮力???????????????????????????????????????????????、；當U2-V2-W2繞組系導通時，線圈U2、V2、W2分別產生懸浮力、；任意一套繞組系導通時所產生的懸浮力共同決定一個平面，產生平面內的懸浮力。

?進一步地，當轉子鐵芯和轉軸逆時針旋轉產生的轉子角θ為15?~45?、75?~105?、135?~165?、195?~225?、255?~285?、315?~345?之間時，U1-V1-W1繞組系導通；當轉子角θ為0?~15?、45?~75?、105?~135?、165?~195?、225?~255?、285?~315?、345?~360?之間時，U2-V2-W2繞組系導通。

本發明的優點在于：

1、采用本發明提出的懸浮力控制方法，電機轉子每旋轉一周，控制懸浮力繞組的逆變器僅需通斷12次，較傳統控制方法明顯地減少了逆變器開關器件的開關次數，無疑降低了對逆變器的要求，降低了控制系統的復雜度。

2、本發明提出的懸浮力控制方法，任意時刻都有三相懸浮力繞組同時導通，提高懸浮力繞組的利用率，從而提高了無軸承無刷直流電機的工作效率，并且簡化了驅動控制方法，使得無軸承無刷電機能夠在高速離心機、牙科和手術用高速器具等生物醫學領域及飛輪儲能等新能源領域中廣泛應用。

3、在電機尺寸，懸浮力繞組電流相同的條件下，較傳統控制方法，本發明能夠增大轉子單位電流徑向懸浮力，提高了無軸承無刷直流電機的性能指標。

附圖說明

圖1是本發明無軸承無刷直流電機的結構示意圖；

圖2是圖1中U1-V1-W1繞組系導通時的懸浮力分量的方向示意圖：

圖3是圖1中U2-V2-W2繞組系導通時的懸浮力分量的方向示意圖；