趙筱赫,張銳,宋海洋（.河南機電高等?？茖W(xué)校電氣工程系,河南新鄉(xiāng)453000；.中國平煤神馬集團,河南平頂山467000）

基于載波電流的無軸承電機無位移傳感器研究

趙筱赫1,張銳1,宋海洋2
（1.河南機電高等?？茖W(xué)校電氣工程系,河南新鄉(xiāng)453000；2.中國平煤神馬集團,河南平頂山467000）

針對位移傳感器的使用限制了懸浮傳動系統(tǒng)微型化的發(fā)展,提出一種無需位移傳感器的轉(zhuǎn)子位移估算方案.高頻載波電壓加在電機電樞繞組上,載波電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而改變,通過對載波地電流信號的檢測,確定轉(zhuǎn)子位置.整個系統(tǒng)不需位置傳感器,有效縮短電機的軸向長度,降低成本.分析了載波電流對電機運行的影響,綜合各方面的影響,選取載波頻率,并建立轉(zhuǎn)子位置的數(shù)學(xué)模型.結(jié)果表明：基于載波電流的轉(zhuǎn)子位置無傳感測量能夠有效檢測轉(zhuǎn)子位置.

無軸承電機；無傳感；載波信號

磁懸浮傳動系統(tǒng)具有無損耗、無摩擦、免潤滑、超密封、壽命長等特點,被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體業(yè)、制藥業(yè)、化學(xué)工業(yè)等對傳動系統(tǒng)有特殊要求的行業(yè)[1-3].無軸承電機集轉(zhuǎn)子驅(qū)動與懸浮于一體.轉(zhuǎn)子在磁力的作用下呈懸浮狀態(tài),與定子無機械接觸.然而,無軸承電機上的磁懸浮一般需要位移傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位移.位移傳感器的引入增大了電機軸向長度,使軸向剛度降低,同時傳感器造價昂貴,影響無軸承電機在工業(yè)領(lǐng)域中的推廣使用[4].為克服這些缺陷,本文設(shè)計一種基于載波電流的無傳感轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng).

1 動作原理

圖1為典型的無軸承電機兩個繞組的示意圖.兩組極對數(shù)相差為1的繞組嵌在定子槽內(nèi)：四極繞組4a與4b,產(chǎn)生電機轉(zhuǎn)矩；二極繞組2a與2b,控制徑向懸浮[5-7].轉(zhuǎn)子位置的變化會引起電機繞組與懸浮控制繞組之間互感的改變,需要建立互感的數(shù)學(xué)模型.

圖1二極無軸承電機繞組Fig.1 motorwindingsof two-phasenon-bearing

圖2 顯示當(dāng)轉(zhuǎn)子中心偏離軌道中心時放大的氣隙示意圖.

圖2 轉(zhuǎn)子偏移Fig.2 Rotordisplaced

實際氣隙長度用g（φ）表示.

φ表示轉(zhuǎn)子中心偏移角度,g0表示正常氣隙長度,x、y分別表示轉(zhuǎn)子位移的坐標(biāo)分量.由于轉(zhuǎn)子偏心距離很小,則有

為了得到4a與2a繞組之間的互感,假設(shè)只有2a繞組中有電流時,MMF2a表示轉(zhuǎn)子磁勢,氣隙磁通φ)全部在轉(zhuǎn)子周圍,根據(jù)高斯定理,總量應(yīng)等于0.

令4a、4b、2a、2b繞組的端電壓分別為：V4a,V4b,V2a,V2b.忽略繞組阻抗,電壓和電流方程可以用4×4逆矩陣來表示

L4-c和L2-c分別表示四極繞組和二極繞組的自感.將式（1）式（2）代入式（3）,可以得到二極繞組的電流I2a,I2b方程

在四極繞組電壓上疊加一個載波電壓Vc.將V4a=Vc和V4b=V2a=V2b=0代入式（4）得

由式（5）可知,由載波電壓產(chǎn)生的電流I2a,I2b分別與轉(zhuǎn)子位移的x,y分量成比例.電流與轉(zhuǎn)子x軸方向偏移成比例,其頻率為載波頻率,這樣解調(diào)信號與轉(zhuǎn)子在x軸方向位移成比例[8].同樣,轉(zhuǎn)子在y軸方向位移相應(yīng)的由電流I2b得到.在一個無軸承電機的運行中,電壓V4a,V4b,V2a,V2b并不為0,所以2a,2b繞組載波電流有兩個分量：懸浮磁力電流和電機驅(qū)動力電流.理想情況下,載波信號的頻率與這些電流成分相比越高越好,這樣載波電流成分就可以單獨測量.

圖3 典型電機結(jié)構(gòu)Fig.3 structure ofa prototypemachine

2 載波頻率的選定

圖3為典型的電機結(jié)構(gòu),主軸底端由一個機械軸承支撐,這樣,懸浮力可以對其進行二自由度調(diào)整.需要位移傳感器檢測轉(zhuǎn)子的徑向位移.

圖4所示的測量互感是轉(zhuǎn)子位移的函數(shù).兩套繞組的互感與轉(zhuǎn)子位移成比例.當(dāng)轉(zhuǎn)子在沿x軸方向上有一個位移時,把5 kHz的電流I4a加在四極繞組之上,這樣,可測到2a的開路電壓V2a.互感M4a2a表示為

圖4 轉(zhuǎn)子位移與互感的線性關(guān)系Fig.4 linear relation between 4a and 2a windings

由圖4可知,兩繞組間的互感與轉(zhuǎn)子徑向位移成比例,比例系數(shù)記為稱為懸浮力系數(shù).由于硅鋼片磁導(dǎo)率及其在高頻下的磁損耗都與載波頻率有關(guān),所以該系數(shù)決于載波頻率.圖5為繞組4a與2a之間電壓比率系數(shù)的頻率特性.可以看出當(dāng)頻率很高時,會變小.所以,應(yīng)該把載波頻率設(shè)置得越小越好.結(jié)合上文分析,設(shè)置載波頻率為5 kHz.

圖5 電壓比率的頻率特性Fig.5 Frequency characteristic ofvoltage ratio

3 磁場懸浮實驗

3.1 靜止磁場中的懸浮實驗

圖6 靜止磁場中傳感器輸出與計算位移Fig.6 Sensoroutputand estimated displacementin staticmagnetic field

3.2 旋轉(zhuǎn)磁場中的懸浮實驗

如圖7所示,電機繞組通入交流電流,在轉(zhuǎn)速為1 500 r/m時,傳感器輸出與電流估算器的位移計算值.計算位移?作為位移反饋信號.計算結(jié)果與傳感器有很好的一致.由于輔助軸承與轉(zhuǎn)子之間的氣隙長度為200μm,所以可以確定轉(zhuǎn)軸徑向已完全懸浮.這樣無傳感的計算位移在電機控制精度范圍內(nèi),滿足控制要求.

圖7 旋轉(zhuǎn)磁場中的傳感器輸出與計算位移Fig.7 Sensoroutputand estimated displacementin rotatingmagnetic field

4 結(jié)論

本文研究的基于基于載波電流的轉(zhuǎn)子位移計算方法,在無軸承電機控制中可以替代位移傳感器使用,能夠滿足控制精度的要求,使試驗樣機穩(wěn)定懸浮.有效減小了無軸承電機的轉(zhuǎn)軸長度,降低成本,增加軸向剛度,改善其運行性能,對無軸承電機的發(fā)展具有重大意義.

[1]朱熀秋.磁懸浮電機基礎(chǔ)理論和實驗研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2001.

[2]王曉琳,鄧智泉,嚴(yán)仰光.一種新型的五自由度磁懸浮電機[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2004,36（2）：210-214.

[3]Yang Y,Deng ZQ,Zhang QY,et al.Stator vibration analysisofbearingless switched reluctancemotors[C].Nanjing：Electricaland ControlEngineering,2010：1993-1996.

[4]王曉琳,鄧智泉,張紅荃,等.無軸承異步電機的設(shè)計與實現(xiàn)[J].航空學(xué)報,2003,24（3）：259-262.

[5]Ooshima M,Chiba A,Fukao T.Characteristics ofa permanentmagnet type bearinglessmotor[J].IEEE Trans.Indus.Application, 1996,32（2）：363-370.

[6]Suzuki T,Chiba A,Rahman M A,et al.An air-gap flux oriented vector controller for stable operation of bearingless induction motors[J].IEEETrans.Industry Application,2000,36（4）：1069-1076.

[7]Chiba A,Power D T,Rahman M A.Analysis ofno-load characteristics ofa bearingless inductionmotor[J].IEEE Trans.Industry Application,1995,31（1）：77-83.

[8]Hachiya T,Ebara K,Chiba A,et al.A self-sensing bearinglessmotor driven by a general-purpose inverter[C].Fukuoka：in Proc. 7th Int.Symp.Magnetic Suspension Technology,2003：44-49.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Performances of bearingless and sensorlessmotor drive based on carrier injection

Zhao Xiaohe1,Zhang Rui1,Song Haiyang2
（1.Henan Mechanicaland Electrical Engineering College,Xinxiang453000,China；2.China Pingmei ShenmaGroup,Pingdingshan 467000,China）

A self-sensing non-bearingmotor is considered as an effective solution to reduce costand shorten a shaft length.A novel estimation method of a rotor displacement is proposed.Based on the detection of currents induced by mutual inductances,a high-frequency carrier voltage is superimposed on amotormain terminal voltage.The induced carrier-frequency current component is distinguished from the suspension-winding current.The carrier signal is selected.It is shown that a successfulmagnetic suspension is realized with the proposed method.

non-bearingmotors；non-sensor；carrier injection

TM352

A

1008-7516（2013）02-0075-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.02.018

2013-03-13

趙筱赫（1983-）,女,河南平頂山人,碩士,助教.主要從事磁懸浮電機傳動系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究.