[0069] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不
用于限定本发明。
[0070] 本发明所设计的一种绕线式无轴承异步电机的解耦方法是针对如图3所示的绕线式无轴承异步电机，该绕线式无轴承异步电机沿径向由内往外依次为电机转轴33、转子铁
芯32、转矩绕组30、悬浮力绕组31和定子铁芯29。定子铁芯29是由型号为DW465‑50的硅钢片
叠压而成，定子铁芯29均匀设有36个定子槽。转子铁芯32和定子铁芯2之间设有转矩绕组30
和悬浮力绕组31，转矩绕组30和悬浮力绕组31均采用集中式绕组，由导电良好的电磁线圈
绕制后侵漆烘干而成。转子铁芯32套装在电机转轴33上，转子铁芯32是由型号为DW465‑50
的硅钢片叠压而成，转子铁芯32均匀设有28个转子槽，为了叙述方便将28 个转子槽分别用
1～28表示。
[0071] 沿顺时针方向，将28个转子槽中相互间隔90°的4个转子槽分为一组；例如：将图3 中编号为1、8、15、22的四个转子槽划分为一组，以此类推，将28个转子槽划分为7组。在每组
的4个转子槽内设置1组铜制线圈。每组的4转子槽内铜制线圈的连接方式如图4、 5和3所
示，第i组中的转子槽分别为Iai、Ibi、Ici、Idi，i＝1、2、…、7；其中，Iai与Ici相对布置，Ibi和Idi相对布置；在每组中，转子槽Iai和Ici内绕线的下方直接相连接且绕线的上方分别连接第一
开关控制器34的两端；转子槽Ibi和Idi内绕线的下方直接相连接且绕线的上方分别连接第
二开关控制器35的两端；转子槽Iai和Ibi内绕线的上方分别连接第三开关控制器36，Ici和Idi
内绕线的上方分别连接第四开关控制器37；转子槽Iai和Idi内绕线的下方分别连接第五开
关控制器38，转子槽Ibi和Ici内绕线的下方分别连接第六开关控制器39；所述第一开关控制
器34和第二开关控制器35均连接继电器的常开触点，第三开关控制器36、第四开关控制器
37、第五开关控制器38和第六开关控制器39均连接继电器的常闭触点。以转子槽1、8、15、22
为例：转子槽1和转子槽15内绕线的下方直接相连接，上方接入第一开关控制器34的两端；
转子槽8和转子槽22内绕线的下方直接相连接，上方接入第二开关控制器35的两端；转子槽
1和转子槽8、转子槽15和转子槽22内绕线的上方分别接入第三开关控制器36、第四开关控
制器37的两端；转子槽1和转子槽22、转子槽 8和转子槽15内绕线的下方分别接入第五开关
控制器38、第六开关控制器39的两端；中心位置的第一开关控制器34和第二开关控制器35
均连接继电器的常开触点，四周分布的开关控制器36、37、38、39均连接继电器的常闭触点。
将所有继电器的控制电源接在单片机的输出端口，同时将继电器与单片机固定在转子铁芯
上方，与铁芯和线圈构成完整的转子模块。当转矩绕组30的极对数为1时，悬浮力绕组31的
极对数为2时，继电器通电，电机转速为60*f，f为电机频率，电机转速单位为：r/min；当转矩
绕组30的极对数为2 时，悬浮力绕组31的极对数为1或3时，继电器断电，电机转速为30*f；
当转矩绕组30 的极对数为3时，悬浮力绕组31的极对数为2时，继电器通电，电机转速为20*
f。
[0072] 本发明针对上述绕线式无轴承异步电机所提出的一种绕线式无轴承异步电机的解耦方法，包括如下步骤：
[0073] S1、基于上述绕线式无轴承异步电机，建立绕线式无轴承异步电机转矩绕组和悬浮力绕组的a、b、c三相磁链方程如下：
[0074]
[0075] 其中， 是转矩绕组定子a、b、c相的磁链； 是转矩绕组转子a、b、c相的磁链；是悬浮力绕组定子a、b、c相的磁链； 分别是转矩绕组定子、电机转子和
悬浮力绕组定子a、b、c相的自感； 是转矩绕组定子和转子任意相之间的互感；
是转矩绕组定子和悬浮力绕组定子任意相之间的互感； 和 是悬浮力绕
组定子和转子任意相之间的互感； 是转矩绕组定子a、b、c相的电流； 是转子a、b、c相
的电流； 是悬浮力绕组定子a、b、c相的电流。
[0076] 以上各个电感参数可根据下式等效计算：
[0077]
[0078] 其中，L1m为转矩绕组定、转子各相绕组的励磁电感，L2m为悬浮力绕组定子各相绕组的励磁电感且L1m＝L2m，L1sσ为转矩绕组的定子漏感，L1rσ为转矩绕组的转子漏感，L2sσ为悬浮力绕组的定子漏感，θ1sr为转矩绕组定子和电机转子之间的转差角，θ2sr为悬浮力绕组定
子和电机转子之间的转差角。
[0079] S2、基于式(1)的三相磁链方程，采用转子磁场定向方法对无轴承异步电机进行解耦，具体过程为:
[0080] S2.1、对无轴承异步电机的转子磁链进行解耦，具体过程为：
[0081] S2.1.1、对定子绕组、转子绕组进行3/2变换，构建两相磁链矩阵：
[0082]
[0083] 其中，ψ1sα和ψ1sβ分别是α、β轴上的转矩绕组定子磁链；ψ1rα和ψ1rβ分别是α、β轴上的转子磁链；ψ2sα和ψ2sβ分别是α、β轴上的悬浮力绕组定子磁链；L1sα和L1sβ分别是α、β轴上的转矩绕组定子自感；L1rα和L1rα分别是α、β轴上的转子自感，L2sα和L2sβ分别是α、β轴上的悬浮力绕组定子自感；i1sα和i1sβ分别是α、β轴上的转矩绕组定子电流；i1rα和i1rβ分别是α、β轴上的转矩绕组转子电流；i2sα和i2sβ分别是α、β轴上的悬浮力绕组定子电流；M1sα1rα和M1rα1sα、M1sα2sα和M2sα1sα、M2sα1rα和M1rα2sα分别是转矩绕组定子和转子在α轴上的互感、转矩绕组定子和悬浮力绕组定子在α轴上的互感、悬浮力绕组定子和转子在α轴上的互感； M1sβ1rβ和M1rβ1sβ、M1sβ2sβ和M2sβ1sβ、M2sβ1rβ和M1rβ2sβ分别是转矩绕组定子和转子在β轴上的互感、转矩绕组定子和悬浮力绕组定子在β轴上的互感、悬浮力绕组定子和转子在β轴上的互感；
[0084] S2.1.2、根据三相绕组的对称性，令L1sα＝L1sβ＝L1s，L1rα＝L1rβ＝L1r，L2sα＝L2sβ＝L2s， M1sα1rα＝M1sβ1rβ＝M1s1r，M1sα2sα＝M1sβ2sβ＝M1s2s，M2sα1rα＝M2sβ1rβ＝M2s1r，L1s为转矩绕组定子自感等效值，L1r为转子自感等效值，L2s为悬浮力绕组定子自感等效值，M1s1r为转矩绕组定子与电机转子互感等效值，M1s2s为转矩绕组定子与悬浮力绕组定子互感等效值，M2s1r为悬浮力
绕组定子与电机转子互感等效值，由式(3)构建αβ坐标系下的磁链方程：
[0085]
[0086] 根据式(4)中的转子磁链方程解得转子电流在α、β轴上的分量：
[0087]
[0088] S2.1.3、将式(5)代入式(4)求解转矩绕组和悬浮力绕组定子磁链方程：
[0089]
[0090] S2.1.4、构建无轴承异步电机在αβ坐标系下的转子电压方程：
[0091]
[0092] 其中，R1r是电机转子电阻；t为时间变量；ωr为转子角频率。
[0093] S2.1.5、进一步构建无轴承异步电机在dq坐标系下的转子电压方程：
[0094]
[0095] 其中，i1sd、i1sq分别为转矩绕组定子电流在d、q轴上的分量；i1rd、i1rq分别为转子电流在d、q轴上的分量；i2sd、i2sq分别为悬浮力绕组定子电流在d、q轴上的分量；ψ1rd、ψ1rq分别为转矩绕组转子磁链在d、q轴上的分量；ω为转矩绕组电角频率；
[0096] 构建dq坐标系下的转子磁链方程：
[0097]
[0098] 电磁转矩方程:
[0099] Te＝p1(i1sqψ1d‑i1sdψ1q) (10)
[0100] 其中，p1为转矩绕组极对数，Te为电磁转矩。
[0101] 根据式(9)解得转子电流在d、q轴上的分量：
[0102]
[0103] S2.1.6、采用转子磁场定向矢量控制，令ψ1rd＝ψ1r，ψ1rq＝0，其中，ψ1r为转子磁链，代入式(11)得：
[0104]
[0105] S2.1.7、将式(12)代入式(8)得：
[0106]
[0107] 其中，p为微分算子。
[0108] S2.2、对无轴承异步电机悬浮力进行解耦，具体过程为：
[0109] S2.2.1、构建无轴承异步电机悬浮力方程：
[0110]
[0111] 其中，Fm为无轴承异步电机悬浮力幅值；p1为转矩绕组极对数；p2为悬浮力绕组极对数；ψ1为转矩绕组气隙磁链；i2s为悬浮力绕组定子电流；μ0为真空磁导率；l为电机转子有
效铁心长度；r为转子半径；W1和W2分别为转矩绕组和悬浮力绕组每相串联的有效匝数。
[0112] S2.2.2、根据向量的点乘和叉乘原理，将无轴承异步电机悬浮力分解到d、q轴上：
[0113]
[0114] 其中，Fx、Fy为悬浮力在x、y轴上的分量，K为一常数，表示为
[0115] S2.2.3、无轴承异步电机转矩绕组气隙磁链和转子磁链的关系：
[0116]
[0117] 其中，L1rσ为转矩绕组的转子漏感。
[0118] S2.2.4、将式(16)带入式(15)，进一步构建无轴承异步电机的悬浮力方程：
[0119]
[0120] S2.3、构建无轴承异步电机的电磁转矩方程：
[0121] 将ψ1rd＝ψ1r，ψ1rq＝0代入电机电磁转矩式(10)：
[0122]
[0123] 其中，ψ1r为转子磁链。
[0124] S3、基于式(1)的三相磁链方程，采用气隙磁场定向方法对无轴承异步电机进行解耦，具体过程为:
[0125] S3.1、对无轴承异步电机的气隙磁链进行解耦，具体过程为：
[0126] S3.1.1、构建无轴承异步电机转矩绕组和悬浮力绕组的气隙磁链方程：
[0127]
[0128] 其中，ψ2d、ψ2q分别为悬浮力绕组在d、q轴上的分量。由式(19)进一步得到：
[0129]
[0130] S3.1.2、令ψ1d＝ψ1，ψ1q＝0，ψ2d＝ψ2，ψ2q＝0，其中，ψ1为转矩绕组的气隙磁链，ψ2为悬浮力绕组的气隙磁链，则：
[0131]
[0132] S3.1.3、将i1rd、i1rq代入式(8)得：
[0133]
[0134] S3.1.4、将式(21)代入式(22)进一步解得:
[0135]
[0136] S3.2、对无轴承异步电机悬浮力进行解耦，具体过程为：
[0137] S3.2.1、将ψ1d、ψ1q代入无轴承异步电机的悬浮力方程式(15)：
[0138]
[0139] S3.3、将ψ1d、ψ1q代入电机电磁转矩方程式(10)，构建无轴承异步电机电磁转矩方程：
[0140] Te＝p1ψ1i1sq (25)
[0141] S4、如图1基于S2中的电机转子磁链方程、悬浮力方程和电磁转矩方程对绕线式无* * * *
轴承异步电机进行转子磁场定向的解耦方法为：将Te、ψ1r 、Fx 、Fy 作为输入，根据式(18)
计算出i1sq，用于控制电机的电磁转矩。联立式(13)和(17)计算出i1sd、i2sd和i2sq，分别控制
* * * *
电机的转子磁链、x轴上悬浮力和y轴上悬浮力。其中，Te、ψ1r、Fx 、Fy分别是电机电磁转矩、
转子磁链、x轴上悬浮力以及y轴上悬浮力的给定值。
[0142] 如图2基于S3中的电机气隙磁链方程、悬浮力方程和电磁转矩方程对绕线式无轴* * * *
承异步电机进行气隙磁场定向的解耦方法为：将Te、(ψ1+ψ2)、Fx 、Fy 作为输入，根据式(25)
计算出i1sq，用于控制电机的电磁转矩。根据式(24)计算出i2sd和i2sq，用于控制x轴上悬浮力
*
和y轴上悬浮力。根据式(23)计算出i1sd，用于控制电机的气隙磁链。(ψ1+ψ2) 为气隙磁链给
定值。
[0143] 以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依
据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
