CN100525009C - 双通道容错式磁通切换永磁电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

双通道容错式磁通切换永磁电机是一种新型定子永磁式容错电机，该容错电机采用双凸极结构，定子(1)的内圆周上均布定子凸极，永磁体(3)在定子圆周成对布置，易于冷却；转子(2)采用凸极结构，既无绕组也无永磁体，结构简单。该种容错电机集开关磁阻电机和转子永磁型容错电机这两种主要的容错电机结构的优点于一身，具有高可靠性、高功率密度的优点，其带故障运行能力较为出色。为进一步提高断路故障状态下的电机性能，本发明设计了容错控制策略，通过调整非故障相电流的相位和幅值，使得电机在故障状态下的电磁性能大为提高，可接近于正常运行状态的转矩输出，具有很高的理论和实用价值。

Description

双通道容错式磁通切换永磁电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及电工、电机、控制技术领域，特指一种新型定子永磁式容错电机及其控制方法，适用于对系统连续运行有严格要求的高可靠性领域。

背景技术

随着电机在军事、工业、民用等领域的应用范围不断扩大，电机驱动系统的可靠性问题得到了相关领域学者越来越广泛的关注，特别是在航空航天、军事装备、矿井轧钢等对连续操作有较高要求的场合，可靠性显得尤为重要。这些应用领域要求电机驱动系统具有较高的可靠性和较强的容错运行能力。

就技术层面而言，提高系统的可靠性途径主要可以分为冗余和容错这两种方法。在电机本体方面，双绕组的冗余式结构虽然提高了电机的可靠性，但由于其结构较为复杂，并未得到广泛的采用。因此，容错式的电机本体结构就成为研究的焦点。

开关磁阻电机采用双凸极结构，具有结构简单、相与相之间电路和磁路独立性较好等特点，因此容错性能较好。考虑到永磁电机无励磁损耗、效率高、功率密度高等优点，将容错概念引入到永磁电机，研究开发出集高功率密度和高容错性能于一体的新型容错永磁电机，就成为当前研究的热点。

转子永磁型电机是目前研究较为成熟的永磁电机，在此基础上，出现了定子采用集中绕组的永磁容错电机结构。相关研究结果表明：该种电机的容错性能较好，且具有功率密度高、效率高的优点。但是，由于其永磁体安装在转子表面，当电机处于高速旋转发热时，因其冷却较为困难而易出现故障，导致电机的可靠度下降，故其在高可靠性领域(其主要应用背景)的应用受到了很大限制。综上，这两种当前学术界较为关注的容错电机，在具备较高容错性能的同时，分别在功率密度和可靠度方面存在弊端。因此，结合二者的优点，研究出新型结构的高可靠性和高功率密度的永磁容错电机成为了当前学术领域亟待解决的问题。

定子永磁型电机的研究始于上世纪九十年代中期，发展到现在，出现了多种电机结构，如双凸极永磁电机、磁通反向电机以及磁通切换永磁电机等。该类电机的出现，为新型定子永磁式容错电机驱动系统的研究奠定了基础。

发明内容

技术问题：本发明为了提高电机驱动系统的可靠性，结合定子永磁型电机的基本特性，提出了一种新型绕组结构的双通道容错式磁通切换永磁电机。在此基础上，针对故障状态下双通道绕组互补性被破坏的问题，建立了该种电机的智能容错控制策略。双通道容错式磁通切换永磁电机具有高度正弦的空载反电动势、较强的转矩输出能力和较大的功率密度，故障状态下具有很好的电磁特性，特别适合于对系统的连续运行有较高要求的高可靠性领域的应用。

技术方案：本发明是在传统的磁通切换永磁电机的基础上，通过采用不同的绕组连接方式，实现了电机的冗余运行，具有较高的带故障运行能力和容错控制可行性。在正常运行状态下，磁通切换永磁电机每相绕组的两个通道具有很强的互补性，从而使得该相反电势接近正弦，因此可以采用三相正弦电流来控制。但是，当电机发生绕组断路故障时，其绕组互补性被破坏，使得故障相反电势谐波增加。针对此问题，本发明提出的容错控制策略，通过调整非故障相绕组电流的相位和幅值的方法，在不具备绕组互补性的情况下，实现了容错控制，降低了转矩脉动，提高了故障状态下电机性能。该定子永磁型容错电机尤其适用于一些可靠性要求较高，如航空航天、军事领域、矿井轧钢等要求连续操作的领域。

本发明的双通道容错式磁通切换永磁电机采用双通道绕组、双凸极结构；转子采用内置式转子结构，由硅钢片叠压而成，共10个齿；定子由12个“U”形导磁铁心组成，每两个“U”形导磁铁心中间分别嵌入1片切向交替充磁的永磁体；定子绕组采用双通道冗余结构：定子极上径向相对的两个线圈串连成一相绕组的一个通道，每相绕组由两个通道组成，该电机共有三相六套绕组，运行时对每一套绕组采用独立控制的方式。

本发明的双通道容错式磁通切换永磁电机的控制方法为：当A相第一绕组发生断路故障时，则此时的A相第一绕组与A相第二绕组之间的互补性原则被破坏，A相反电势不再为近似正弦，且正负不对称，此时，通过容错控制策略的引入，调整B1绕组和C1绕组的相位以及幅值，补偿A相第一绕组产生的旋转磁场分量，保持电机内的磁场平衡，使得电机在故障状态下仍可以提高运行特性，保证该电机驱动系统具备较高的可靠性，容错控制策略具体实现步骤分为五步：

1.)将B1绕组电流在相位上比系统正常运行时提前30度电角度；

2.)将B1绕组电流在幅值上比系统正常运行时增大

倍；

3.)将C1绕组电流在相位上比系统正常运行时滞后30度电角度；

4.)将C1绕组电流在相位上比系统正常运行时增大

倍；

5.)绕组A2、B2和C2的电流，保持不变。

这里仅以A1绕组发生断路故障为例，对容错控制策略进行说明；若为其他绕组发生故障，也采用与此相仿的方法。

有益效果：双通道容错式磁通切换永磁电机具有高可靠性、高功率密度的优点，可用于对系统的可靠运行有较高要求的领域，特别是对连续运行有严格要求的航空航天、军事装备等应用场合。

1、转子采用简单的凸极结构，无绕组、无电刷、无永磁，转动惯量小，适用包括高速运转、高动态响应、高可靠性的场合；

2、电枢绕组为集中式绕组，端部短，铜耗低，制作嵌线方便；

3、双通道独立控制的集中式绕组结构，使其电路和磁路独立性好。在故障状态下，非故障相的运行不会受到影响，具有较强的带故障运行能力，满足容错电机的基本特点要求；

4、本发明集开关磁阻电机和转子永磁型容错电机这两种主要容错电机的优点于一身：定转子采用双凸极结构，永磁体置于定子上，比较容易进行冷却设计，具有高可靠性、高功率密度、高效率的优点；

5、正常运行状态时，两个通道的绕组叠加而成一相，其反电势之和近似正弦，因此绕组可以通正弦交流电，应用矢量控制思想，电机转矩脉动小；

6、相比较于传统的磁通切换永磁电机，本发明采用双通道绕组独立控制，断路故障状态下，电机的转矩输出性能大为提高；

7、本发明提出的容错控制策略，使得缺相故障状态下的双通道磁通切换永磁电机的转矩特性接近于正常运行状态。

本发明采用双凸极电机结构，具有结构简单、可靠性高的优点；此外，置于定子的永磁体易于冷却，不易发生高温退磁。因此，具有高可靠性、高功率密度的优点。采用双通道绕组的容错式磁通切换永磁电机可以在不减少电机输出功率、不增加电机制作难度的情况下，运用冗余技术(工作冗余)，提高电机的带故障运行能力。通过容错控制策略的引入，对缺相定子的绕组采取“磁场重构”的形式，解决了因缺相造成的磁通切换永磁电机绕组互补性被破坏，从而导致其转矩脉动增加的问题，进一步提高其故障状态下的电磁性能，该方法易于实现。

附图说明

图1是定子12极、转子10极的双通道容错式磁通切换永磁电机结构图；

图2是A相两个通道(A1、A2)以及二者合成后的反电势波形图；

图3是正常运行时电机绕组电流波形图；

图4是正常运行时电机输出转矩波形图；

图5是缺相故障时传统的磁通切换永磁电机的输出转矩波形图；

图6是缺相故障时双通道容错式磁通切换永磁电机的输出转矩波形图；

图7是A1绕组发生断路故障、采用容错控制策略时绕组电流波形图；

图8是采用容错控制策略时双通道容错式磁通切换永磁电机的输出转矩波形图。

以上的图中有：定子1、转子2、永磁体3、电枢绕组4、A相第一通道5、A相第二通道6、A相第一绕组A1、A相第二绕组A2。

具体实施方式

本发明的双通道容错式磁通切换永磁电机定转子均采用双凸极的结构。图1所示为定子12极、转子10极的双通道容错式磁通切换永磁电机。其定子由定子铁心和永磁体组成，永磁体沿圆周夹在定子齿铁心中间，铁心和永磁体与机座采用过盈配合，以保证铁心和永磁体的位置固定。转子上既没有绕组也没有永磁体，定转子铁心均由硅钢片叠压而成，绕有绕组的永磁体和电枢齿组合成一个整体，永磁体沿着圆周切向交替磁化。

本发明的创新点在于将传统的磁通切换永磁电机一相绕组的四个定子齿分开考虑，将径向相对的两个定子极分为一组，即定子绕组的每一相都分为两组：P1和P2(P＝A，B，C)，并进行独立控制。在正常运行状态下，由于相绕组的反电势正弦性很好，谐波少，因此同一相的两个通道均通入相同的绕组电流。当电机发生断路故障时，即使不采取容错控制策略，电机仍能保持较高的运行特性。为提高故障状态下电机的电磁性能，满足一些实际应用工况场合的性能要求，本发明提出了相应的容错控制策略。如A1绕组发生断路故障时，则此时绕组A1和A2的互补性原则被破坏，A相反电势谐波较大，不再为近似正弦且正负不对称。此时，通过容错控制策略的引入，调整B1和C1的相位以及幅值，补偿A1相绕组产生的旋转磁场分量，保持电机内的磁场平衡，使得电机在故障状态下仍可以提高运行特性，保证该电机驱动系统具备较高的可靠性。具体实现步骤分为五步：

1、将B1绕组电流在相位上比系统正常运行时提前30度电角度；

2、将B1绕组电流在幅值上比系统正常运行时增大

倍；

3、将C1绕组电流在相位上比系统正常运行时滞后30度电角度；

4、将C1绕组电流在相位上比系统正常运行时增大

倍；

5、另外一个通道的绕组A2、B2和C2的电流保持不变。

以一台12/10极双通道容错式磁通切换永磁电机为例，其截面图如附图1所示。本发明的双通道容错式磁通切换永磁电机由定子1、转子2以及固定在定子1上的永磁体3和电枢绕组4所组成。其中，定子1的内圆周上均布定子凸极，永磁体3对称分布于定子1。定子由12个“U”型定子铁心1和8个永磁体3组合而成。“U”形定子铁心1和转子铁心2分别用厚度为0.37mm的硅钢片按图5所示的形状和图4所示的转子2形状冲成冲片，用足够的冲片叠压成定子铁心1和转子铁心2。定子电枢绕组4为集中绕组，每个线圈绕组横跨在两个定子齿上，中间嵌有一块永磁体3。12个线圈共分成了六套绕组，径向相对的两极绕组2相串联构成一相的一个通道，相互垂直的两个通道组成一相，例如图中的A1、A2是A相的两个通道，以此类推。转子2有10个齿，称为10极，对于定子永磁型电机而言，其转子极数决定了转子周期。定转子导磁铁心部分都采用了国内常用的D23材料冲片压叠而成。

以下是一台额定功率为2KW双通道容错式磁通切换永磁电机的设计参数，永磁体3采用稀土钕铁硼，永磁体切向充磁。

在空载情况下，双通道容错式磁通切换永磁电机运行于1000转/分时的一相反电势如图2所示。由图可见，组成一相绕组(A相)的两个通道(绕组A1、A2)的反电势在正负半周幅值差异较大，而二者反电势之和则正弦性较好。在一相绕组的两个通道同时工作情况下，二者具有互补性，则由此相产生的电磁转矩不会出现较大的脉动。

在正常运行状态，双通道容错式磁通切换永磁电机每一相绕组的两个通道所通电流相位和幅值相同，A、B、C三相互差120度，如图3所示。此时的电机转矩输出见图4，其转矩脉动主要由永磁电机固有的定位转矩所造成。

当电机发生开路故障时，其转矩如图5和图6所示。图5为传统绕组结构的磁通切换永磁电机缺相故障时的转矩输出波形，图6为本发明提出的双通道容错式磁通切换永磁电机缺相故障时的转矩输出波形。对比二者可以发现，即使不采用任何容错补偿策略，双通道磁通切换永磁电机的带故障运行能力也是较为出色的，没有转矩死区。

当采用本发明提出的容错控制策略时，以A1绕组发生断路故障为例，对非故障相的绕组的电流和幅值加以调整，如图7所示。图8为容错控制下电机的电磁转矩输出，对比于图4可以发现，此时电机的输出转矩接近于正常运行状态，该电机系统具有良好的容错性能。

Claims (1)

1、一种双通道容错式磁通切换永磁电机的控制方法，该电机采用双通道绕组、双凸极结构；转子(2)采用内置式转子结构，由硅钢片叠压而成，共10个齿；定子(1)由12个“U”形导磁铁心组成，每两个“U”形导磁铁心中间分别嵌入1片切向交替充磁的永磁体(3)；定子(1)绕组采用双通道冗余结构：定子极上径向相对的两个线圈串连成一相绕组的一个通道，每相绕组由两个通道组成，该电机共有三相六通道绕组，运行时对每一通道绕组采用独立控制的方式；其特征在于，当A相第一通道绕组发生断路故障时，则此时的A相第一通道绕组与A相第二通道绕组之间的互补性原则被破坏，A相反电势不再为近似正弦，且正负不对称，此时，通过容错控制策略的引入，调整B相第一通道绕组和C相第一通道绕组的相位以及幅值，补偿A相第一通道绕组产生的旋转磁场分量，保持电机内的磁场平衡，使得电机在故障状态下仍能够提高运行特性，保证该电机驱动的系统具备较高的可靠性，所述容错控制策略具体实现步骤分为五步：

1.)将B相第一通道绕组电流在相位上比系统正常运行时提前30度电角度；

2.)将B相第一通道绕组电流在幅值上调整为系统正常运行时的

倍；

3.)将C相第一通道绕组电流在相位上比系统正常运行时滞后30度电角度；

4.)将C相第一通道绕组电流在幅值上调整为系统正常运行时的

倍；

5.)A相第二通道绕组、B相第二通道绕组和C相第二通道绕组的电流，保持不变；

若为其他通道绕组发生故障，也采用与此相仿的方法。

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