[發(fā)明專利]定子永磁型無軸承同步電機轉(zhuǎn)子懸浮控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410499575.2
• 申請日: 2014-09-25
• 公開（公告）號: CN104201965B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周揚忠;程明
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H02P21/12
• 分類號: H02P21/12;H02P21/22
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務(wù)所32250
• 代理人: 王斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電動機領(lǐng)域，尤其涉及的是一種定子永磁型無軸承同步電機轉(zhuǎn)子懸浮控制方法。

背景技術(shù)

永磁同步電機采用永磁體提供勵磁，具有效率高、體積小等優(yōu)點，在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。目前所使用的絕大多數(shù)永磁同步電機采用轉(zhuǎn)子永磁結(jié)構(gòu)，即將永磁體表面貼裝或內(nèi)插到轉(zhuǎn)子鐵心，定子繞組流過電流產(chǎn)生同步磁場拖動轉(zhuǎn)子永磁體磁場同步旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)子永磁型同步電機工作原理直觀，但存在三個突出缺點：1)轉(zhuǎn)子永磁體散熱困難，存在因溫升導(dǎo)致永磁體永久性退磁危險；2)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，為克服高速旋轉(zhuǎn)的離心力，轉(zhuǎn)子永磁體必須采取特別加固措施；3)為了獲得正弦波的反電動勢波形，通常需要采用永磁體形狀的特殊設(shè)計，這樣增加了電機制造的復(fù)雜程度和成本。

定子永磁型磁通切換同步電機很好地解決了轉(zhuǎn)子永磁型同步電機上述缺點，它既具備雙凸極永磁電機和磁通反向永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、適合高速運行、冷卻方便、容錯性能好等優(yōu)點，同時又擁有高功率密度、高效率、正弦反電動勢的特點，已引起國內(nèi)外電機界學(xué)者廣泛的關(guān)注和研究。

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，高速、超高速、大容量的電機驅(qū)動技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，如高速高精度機床、渦輪分子泵、高速離心機、壓縮機、緊湊型發(fā)電機、飛輪儲能以及航空航天領(lǐng)域等。要實現(xiàn)電機的高速、超高速可靠運轉(zhuǎn)，必須首先解決高速下轉(zhuǎn)子的支撐問題。另外，在化學(xué)、制藥、生物工藝學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)等清潔、密封、緊湊應(yīng)用場合，雖然要求電機轉(zhuǎn)速不高，但轉(zhuǎn)子需要無接觸懸浮，以免產(chǎn)生污染。目前定子永磁型磁通切換同步電機轉(zhuǎn)子均采用機械軸承支撐，這種機械軸承支撐制約著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，同時由于機械軸承的磨損帶來污染、短壽命等問題。

所以在定子永磁型磁通切換同步電機上實現(xiàn)無機械軸承支撐驅(qū)動技術(shù)，構(gòu)建新型定子永磁型無軸承同步電機驅(qū)動系統(tǒng)具有巨大的經(jīng)濟價值和廣闊的應(yīng)用前景，同時也是一個期待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種定子永磁型無軸承同步電機轉(zhuǎn)子懸浮控制新方法，目的是解決定子永磁型同步電機無機械軸承支撐時轉(zhuǎn)子懸浮旋轉(zhuǎn)運行。該方法中電機定子采用六相對稱集中繞組，空間正對的兩相繞組流過懸浮電流對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生對應(yīng)的磁拉力，六相繞組流過懸浮電流共同產(chǎn)生轉(zhuǎn)子所需的懸浮力；六相繞組中同時流過產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的對稱電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)子懸浮力的懸浮電流分量，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮旋轉(zhuǎn)運行；電機的轉(zhuǎn)矩控制可以采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略，也可以采用矢量控制策略。講述如下。

本發(fā)明方法的電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。定子有12個“U”型導(dǎo)磁鐵心，中間嵌入12片切向交替充磁的永磁體，充磁方向如圖中箭頭所示。繞組采用六相對稱集中單繞組結(jié)構(gòu)，分別用A相、B相、C相、D相、E相、F相標(biāo)記。每一相繞組由空間軸線垂直的兩個集中線圈串聯(lián)而成，例如：A相由Nma1和Nma2串聯(lián)而成，D相由Nmd1和Nmd2串聯(lián)而成，具體串聯(lián)接線如圖1中所示。

本發(fā)明方法的控制框圖如圖2所示。其中d軸位置對應(yīng)定子無電流時A相繞組磁鏈幅值正向最大點，q軸超前d軸90°電角度。根據(jù)轉(zhuǎn)速或位置控制器，計算出q軸電流給定值根據(jù)弱磁控制器，計算出d軸電流給定值和送給dq向6相靜止坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)，輸出控制電磁轉(zhuǎn)矩的6相繞組電流對稱分量給定值i′_a～i′_f；根據(jù)轉(zhuǎn)子徑向位移傳感器，測量出轉(zhuǎn)子在x方向(水平方向)位移和y方向(垂直方向)位移；根據(jù)x軸位移控制器和y軸位移控制器，分別計算出轉(zhuǎn)子懸浮力x方向和y方向給定值將送給懸浮電流計算模塊，計算出繞組電流懸浮分量給定值及利用定子電流給定計算環(huán)節(jié)輸出6相繞組電流給定值再利用電流控制器，輸出六相逆變器中功率管開關(guān)信號，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子懸浮時旋轉(zhuǎn)。有效提高了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，同時避免了機械軸承磨損產(chǎn)生的污染問題。

本發(fā)明是在所提出的六相單繞組定子永磁型同步電機的繞組中同時流過控制轉(zhuǎn)矩的電流對稱分量和控制轉(zhuǎn)子懸浮力的懸浮分量，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)。具體方法是：將定子繞組按照如圖1所示連接成6相；基于有限元分析或測試，獲得定子電流中對稱分量的d、q軸投影和永磁體同時激勵情況下轉(zhuǎn)子受力隨轉(zhuǎn)子位置角θ_r變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)該受力模型及轉(zhuǎn)子位置角實時計算出定子繞組電流中懸浮分量；將該電流懸浮分量疊加到控制電磁轉(zhuǎn)矩的電流對稱分量上，最終獲得六相定子繞組電流給定值后，再通過電流控制器控制逆變器中功率管，最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮時旋轉(zhuǎn)運行。技術(shù)特征在于它依次含有以下步驟：

(1)按照圖1所提電機繞組連接圖連接定子繞組，構(gòu)成6相單繞組定子永磁型無軸承磁通切換電機；