CN103441640A - 模块化容错磁通切换永磁直线电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模块化容错磁通切换永磁直线电机及其控制方法，其中电机包括初级齿和次级齿，初级和次级齿均采用凸极的结构，初级齿包括永磁体、电枢绕组和容错式的“Ш”形导磁模块，“Ш”形导磁模块包括容错齿和导磁性铁心，导磁性铁心横向并排放置，导磁性铁芯内设有容错齿，永磁体为切向交替充磁，每片永磁体嵌入在两个相邻的“Ш”形导磁模块之间，每相电枢绕组采用集中绕组式，每相电枢绕组置于“Ш”形导磁模块的槽内并横穿永磁体，每相电枢绕组绕于初级齿上且每相电枢绕组间设有容错齿隔开。且提出一种容错控制策略，包含容错控制方法和容错拓扑结构。本发明具有结构简单、功率高、成本低和带故障运行能力强等特点。

Description

模块化容错磁通切换永磁直线电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁直线电机及其控制方法，特别是一种模块化容错磁通切换永磁直线电机及其控制方法。

背景技术

随着世界城市化进程的加快，交通问题日益成为城市发展的难题。地铁、轻轨、有轨电车等城市轨道交通运载工具都获得了不同程度的应用与发展。其中，牵引电机的研究和发展成为了轨道交通技术问题的关键。

就技术层面而言，早前，轨道交通运载系统是通过旋转电机驱动，凭借其结构简单，技术成熟，承载能力大等优点长期以来被应用于轨道交通，然而其物理黏着性限制了加减速性能，以及存在机械振动噪声大，车辆结构轻量化和小型化相对困难等缺点，催促着新的技术模式的产生，随后直线电机运载系统走上了历史舞台。随着永磁材料性能的不断提高和永磁直线电机设计制造技术的不断完善,永磁直线电机以其高性能、高稳定性、低噪音和高效率等特点在工业自动化和轨道交通等领域得到广泛应用。初级永磁型直线电机是一类新型永磁无刷直线电机，其结构特点是永磁体和电枢绕组都安置在初级动子上,次级结构简单,仅由导磁铁心组成,集成了直线感应电机结构简单、成本低与永磁直线同步电机功率密度高的优点，特别适用于长定子应用场合。

众所周知，电动机是能量转换与动能传递的直接执行者，起着设备心脏的作用，无论是在工业发达的今天还是将来，其作用亦非常重要，因此电机及驱动系统的可靠性已被诸多专家学者提出和重视。电动机的运行事故是当前发展电力工业方面存在的重要问题之一，给各国的国民经济发展带来了巨大的损失。

目前关于在故障下，增强初级永磁型直线电机可靠性的方法主要集中在对电机本体结构的优化设计上。比如对初级整合模块化结构，交替磁极绕组，加冗余绕组等等，但是由于对结构的优化方法通常受到不同类型电机结构的制约，使得本体的容错性能受到限制，因此要提高系统的可靠性，在对电机本体结构运用冗余技术的基础上，研究的重点应集中于电机本体以外的故障源，通过开发高可靠性驱动电路的拓扑结构、智能控制方法等几个方面。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种提高电机驱动系统的可靠性，结合初级永磁型直线电机的基本特性，在初级永磁型直线电机的某相绕组或某相功率器件发生故障时，通过控制其他相的电流来保持总的行波磁动势不变，达到正常运作时推力特性，提高系统带故障运行能力，总行波磁动势在故障下保持和正常运作下一致，简单方便且低成本的模块化容错磁通切换永磁直线电机及其控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：模块化容错磁通切换永磁直线电机，包括初级齿和次级齿，所述的初级和次级齿均采用凸极的结构，所述的初级齿包括八片永磁体、电枢绕组和七个容错式的“Ш”形导磁模块，所述的“Ш”形导磁模块包括容错齿和导磁性铁心，所述的导磁性铁心横向并排放置，所述的导磁性铁芯内设有容错齿，所述的永磁体为切向交替充磁，所述的每片永磁体嵌入在两个相邻的“Ш”形导磁模块之间，所述的每相电枢绕组采用集中绕组式，所述的每相电枢绕组置于“Ш”形导磁模块的槽内并横穿永磁体，所述的每相电枢绕组绕于初级齿上且每相电枢绕组间设有容错齿隔开，所述的次级齿仅由导磁型钢轨组成，所述的次级齿共有11个齿。

模块化容错磁通切换永磁直线电机控制方法，步骤包括：

1）利用电流霍尔传感器检测三相电枢绕组的电流，经过模数转换把三相电枢绕组的电流信号输送到数字信号处理器中，之后执行步骤2)；

2）设I表示检测到的其中一相电枢绕组实际电流幅值，Im表示电机正常运行时其中一相电枢绕组所要加的电流幅值，Im=Fτ/3πΨ,F为预设电机推力值，τ为电机极距值，Ψ为电机永磁磁链幅值，当检测I=Im时,即电机为正常运行工况,则执行步骤1)；否则电机为非正常运行工况，执行步骤3)；

3）数字信号处理器发出信号指令去控制容错拓扑电路中功率开关元件和双向晶闸管的导通，之后执行步骤4）；

4）数字信号处理器调整无故障的另两相电枢绕组电流的幅值为正常运行时电枢绕组电流幅值的1.73倍，即1.73Im，调整无故障的另两相电枢绕组相位分别滞后和超前原来的相位30°,维持电机带故障运行，本方法结束。

步骤3）中所述的容错拓扑电路包括一个三相桥式功率变换器，二个母线电容，三个双向晶闸管、一个接电机地线的双向晶闸管,三个快反应断路器，所述的快反应断路器一端与三相桥式功率变换器中上桥功率变换器件的发射极相连，所述的快反应断路器的另一端分别与双向晶闸管的一端、电机的其中一相电枢绕组端相连，所述的双向晶闸管的另一端连接在两个被串联的母线电容间，所述的接电机地线的双向晶闸管的一端连接有电机的地线，所述的接电机地线的双向晶闸管的另一端连接在两个母线电容间，步骤2）中当I=Im时电机为正常运行工况，四个双向晶闸管均处于断开状态；当检测到I<Im，即其中一相电枢绕组为开路故障时,数字信号处理器发出指令触发双向晶闸管被导通,同时调整三相桥式功率变换器中各功率开关元件的导通，本方法结束；当检测到I>Im,即三相桥式功率变换器中其中一相功率开关元件短路故障时，数字信号处理器断开故障开关的驱动信号，以防止桥臂直通而短路，然后触发该相连接的双向晶闸管导通，使得母线电容、双向晶闸管、快反应断路器、短路功率开关形成一个回路，存储在母线电容中的能量触发快反应断路器断开，短路的功率开关从逆变器中隔离，同时调整三相桥式功率变换器中各功率开关元件的导通,本方法结束。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：模块化容错式磁通切换永磁直线电机具有结构简单、功率高、成本低和带故障运行能力强等特点，可用于城轨交通、矿井等领域。

1.电枢绕组和永磁体被放置初级上，比较容易进行冷却设计，具有同时移动，高可靠性等特点；

2.容错式的

型模块组合的初级铁芯加工简单，易安装同时增强了电机本身的容错性；

3.电枢绕组为集中绕组和容错式的

型模块初级铁芯，使其电路和磁路独立性好。在故障下，非故障相工况不会受影响，具有较高的带故障运行能力，满足了容错电机基本特点；

4.本发明在广泛使用的电流滞环矢量控制驱动系统基础上，将容错控制策略应用到模块化容错式磁通切换永磁直线电机中，控制简捷可靠。

5.本发明从控制策略出发，利用所述的容错控制算法和容错拓扑结构搭建模块化容错式磁通切换永磁直线电机的故障工况下的容错控制。

6.当电机正常运作时，采用电流滞环PWM控制，容错拓扑结构执行逆变器的功能，简单可靠，推力大等优点。

7.当电机故障运作时，电机被切换到容错控制下运行，保持电机输出推力不变，同时容错拓扑结构启动保护功能，增强电机的带故障运行能力。

附图说明

图1为本发明模块化容错磁通切换永磁直线电机结构示意图。

图2为A相故障前的行波磁场示意图。

图3为A相故障后的电流矢量图。

图4为模块化容错磁通切换永磁直线电机容错控制系统总框图。

图5为模块化容错磁通切换永磁直线电机控制流程图。

图6为容错式拓扑结构示意图。

图7为A相开路后容错拓扑结构示意图。

图8为电机正常、故障和容错时电流波形图。

图9为电机正常、故障和容错时电机速度波形图。

图10为电机正常、故障和容错时dq轴坐标下的电流波形图。

图11为电机正常、故障和容错时推力波形图。

图中：1、初级齿  2、次级齿  3、永磁体  4、容错齿  5、电枢绕组  6、

形导磁模块。

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的解释。

如图1所示，模块化容错磁通切换永磁直线电机，包括初级齿1和次级齿2，所述的初级和次级齿2均采用凸极的结构，所述的初级齿1包括八片永磁体3、电枢绕组5和七个容错式的形导磁模块6，所述的

形导磁模块6包括容错齿4和导磁性铁心，所述的导磁性铁心横向并排放置，所述的导磁性铁芯内设有容错齿4，所述的永磁体3为切向交替充磁，所述的每片永磁体3嵌入在两个相邻的

形导磁模块6之间，所述的每相电枢绕组5采用集中绕组式，所述的每相电枢绕组5置于

形导磁模块6的槽内并横穿永磁体3，所述的每相电枢绕组5绕于初级齿1上且每相电枢绕组5间设有容错齿4隔开，每当移动一个次级极距时，磁链会有一周期的变化，运用集中绕组和容错式的

型模块初级铁芯使其各相磁路独立性好。所述的次级齿2仅由导磁型钢轨组成，所述的次级齿2共有11个齿。次级齿2移动时，A相绕组匝链的永磁磁链最大正向值的位值点定义为d轴，A相绕组匝链的永磁磁链为零的位值点定义为q轴。

如图2所示，a、b、c三相产生的行波磁场示意图，此时的三相正弦电流表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{as}}=I\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ I_{\mathrm{bs}}=I\cos (\mathrm{\&theta;}-2\mathrm{\&pi;}/3)\\ I_{\mathrm{cs}}=I\cos (\mathrm{\&theta;}+2\mathrm{\&pi;}/3)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中θ为电角度，I为电机正常运行时所加电流的幅值。

行波磁动势可以由三相磁动势之和总行波磁动势表示为：

TMMF＝MMF_a+MMF_b+MMF_c＝NI_as+αNI_bs+α²NI_cs           (2)

其中N为每相的匝数，α=1∠120°。

正常情况下的三相电流矢量关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{as}}=I_d\cos \mathrm{\&theta;}-I_q\sin \mathrm{\&theta;}\\ I_{\mathrm{bs}}=I_d\cos (\mathrm{\&theta;}-2\mathrm{\&pi;}/3)-I_q\sin (\mathrm{\&theta;}-2\mathrm{\&pi;}/3)\\ I_{\mathrm{cs}}=I_d\cos (\mathrm{\&theta;}+2\mathrm{\&pi;}/3)-I_q\sin (\mathrm{\&theta;}+2\mathrm{\&pi;}/3)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中Id和Iq为dq坐标系下的电流。

若A相在某时刻发生故障时：

${\mathrm{TMMF}}^{\&prime;}=\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{NI}}_{\mathrm{bs}}^{\&prime;}+{\mathrm{\&alpha;}}^2{\mathrm{NI}}_{\mathrm{cs}}^{\&prime;}={\mathrm{NI}}_{\mathrm{bs}}^{\&prime;}(-\frac{1}{2}+j\frac{\sqrt{3}}{2})+{\mathrm{NI}}_{\mathrm{cs}}^{\&prime;}(-\frac{1}{2}-j\frac{\sqrt{3}}{2})---\left(4\right)$

根据行波磁动势不变原则，解得容错电流，令式（2）与式（4）相等，可以求出B,C相电流：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{bs}}^{\&prime;}=\sqrt{3}I\cos (\mathrm{\&theta;}-5\mathrm{\&pi;}/6)\\ I_{\mathrm{cs}}^{\&prime;}=\sqrt{3}I\cos (\mathrm{\&theta;}+5\mathrm{\&pi;}/6)\end{array}\right.---\left(5\right)$

因此，容错时的B,C相电流矢量关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{bs}}^{\&prime;}=\sqrt{3}[I_d\cos (\mathrm{\&theta;}-5\mathrm{\&pi;}/6)-I_q\sin (\mathrm{\&theta;}-5\mathrm{\&pi;}/6)]\\ I_{\mathrm{cs}}^{\&prime;}=\sqrt{3}[I_d\cos (\mathrm{\&theta;}+5\mathrm{\&pi;}/6)-I_q\sin (\mathrm{\&theta;}+5\mathrm{\&pi;}/6)]\end{array}\right.---\left(6\right)$

对照式（1）和式（5）可以得到如下结论：通过对B、C相电流进行幅值和相位的线性变换，可以使该直线电机驱动系统在A相故障状态下获得等同于正常运行的行波磁动势，如图3所示，也就是说该电机在容错控制下带故障运行，此时电机的输出推力保持不变。如图8—11所示，是电机带负载1KN时正常，故障和容错运行的各电机性能值，在0.56s时电机达到稳定状态，各项性能达到预期值；当0.1s-0.12s时电机A相开路，电机无法正常工作；在0.12s进入容错控制状态，电机又恢复到原来正常状态。同理B相或C相发生故障时，可以通过控制A、C相的电流或A、B相的电流来获得恒定行波磁动势，从而保持电机能够较好的运行。如图4所示，为模块化容错磁通切换永磁直线电机容错控制系统总框图。依靠该系统，如图5所示，模块化容错磁通切换永磁直线电机控制方法，步骤包括：

1）利用电流霍尔传感器检测三相电枢绕组5的电流，经过模数转换把三相电枢绕组5的电流信号输送到数字信号处理器中，之后执行步骤2)；

2）设I表示检测到的其中一相电枢绕组5实际电流幅值，Im表示电机正常运行时其中一相电枢绕组5所要加的电流幅值，Im=Fτ/3πΨ,F为预设电机推力值，τ为电机极距值，Ψ为电机永磁磁链幅值，当检测I=Im时,即电机为正常运行工况,则执行步骤1)；否则电机为非正常运行工况，执行步骤3)；

3）数字信号处理器发出信号指令去控制容错拓扑电路中功率开关元件和双向晶闸管的导通，之后执行步骤4）；

4）数字信号处理器调整无故障的另两相电枢绕组5电流的幅值为正常运行时电枢绕组5电流幅值的1.73倍，即1.73Im，调整无故障的另两相电枢绕组5相位分别滞后和超前原来的相位30°,维持电机带故障运行，本方法结束。

如图6、图7所示，步骤3）中所述的容错拓扑电路包括一个三相桥式功率变换器，二个母线电容，三个双向晶闸管、一个接电机地线的双向晶闸管,三个快反应断路器，所述的快反应断路器一端与三相桥式功率变换器中上桥功率变换器件的发射极相连，所述的快反应断路器的另一端分别与双向晶闸管的一端、电机的其中一相电枢绕组5端相连，所述的双向晶闸管的另一端连接在两个被串联的母线电容间，所述的接电机地线的双向晶闸管的一端连接有电机的地线，所述的接电机地线的双向晶闸管的另一端连接在两个母线电容间，步骤2）中当I=Im时电机为正常运行工况，四个双向晶闸管均处于断开状态；当检测到I<Im，即其中一相电枢绕组5为开路故障时,数字信号处理器发出指令触发双向晶闸管被导通,同时调整三相桥式功率变换器中各功率开关元件的导通，本方法结束；当检测到I>Im,即三相桥式功率变换器中其中一相功率开关元件短路故障时，数字信号处理器断开故障开关的驱动信号，以防止桥臂直通而短路，然后触发该相连接的双向晶闸管导通，使得母线电容、双向晶闸管、快反应断路器、短路功率开关形成一个回路，存储在母线电容中的能量触发快反应断路器断开，短路的功率开关从逆变器中隔离，同时调整三相桥式功率变换器中各功率开关元件的导通,本方法结束。

每相电枢绕组5采用集中绕组式和初级铁芯设计为容错式的

形导磁模块6初级铁芯，每当电机初级移动时，使其各相磁路互不干扰，独立性强。

以下是设计的一台1.8KW的三相模块化容错永磁直线电机的设计参数，永磁体采用稀土钕铁硼，纵向充磁。

速度为1.5m/s、初级横向宽度120mm、初级纵向长度472mm、初级法向高度46mm、初级极距64mm、次级极距35mm、永磁体纵向长度5.6mm、气隙长度1.5mm、电枢绕组匝数170、额定电流7.3A。

Claims (3)

1. 模块化容错磁通切换永磁直线电机，包括初级齿和次级齿，其特征在于所述的初级和次级齿均采用凸极的结构，所述的初级齿包括八片永磁体、电枢绕组和七个容错式的“Ш”形导磁模块，所述的“Ш”形导磁模块包括容错齿和导磁性铁心，所述的导磁性铁心横向并排放置，所述的导磁性铁芯内设有容错齿，所述的永磁体为切向交替充磁，所述的每片永磁体嵌入在两个相邻的“Ш”形导磁模块之间，所述的每相电枢绕组采用集中绕组式，所述的每相电枢绕组置于“Ш”形导磁模块的槽内并横穿永磁体，所述的每相电枢绕组绕于初级齿上且每相电枢绕组间设有容错齿隔开，所述的次级齿仅由导磁型钢轨组成，所述的次级齿共有11个齿。

2.模块化容错磁通切换永磁直线电机控制方法，其特征在于步骤包括：

1）利用电流霍尔传感器检测三相电枢绕组的电流，经过模数转换把三相电枢绕组的电流信号输送到数字信号处理器中，之后执行步骤2)；

2）设I表示检测到的其中一相电枢绕组实际电流幅值，Im表示电机正常运行时其中一相电枢绕组所要加的电流幅值，Im=Fτ/3πΨ,F为预设电机推力值，τ为电机极距值，Ψ为电机永磁磁链幅值，当检测I=Im时,即电机为正常运行工况, 则执行步骤1)；否则电机为非正常运行工况，执行步骤3)； 

3） 数字信号处理器发出信号指令去控制容错拓扑电路中功率开关元件和双向晶闸管的导通，之后执行步骤4）； 

4）数字信号处理器调整无故障的另两相电枢绕组电流的幅值为正常运行时电枢绕组电流幅值的1.73倍，即1.73Im，调整无故障的另两相电枢绕组相位分别滞后和超前原来的相位30°,维持电机带故障运行，本方法结束。

3. 根据权利要求2所述的模块化容错磁通切换永磁直线电机控制方法，其特征在于步骤3）中所述的容错拓扑电路包括一个三相桥式功率变换器，二个母线电容，三个双向晶闸管、一个接电机地线的双向晶闸管,三个快反应断路器，所述的快反应断路器一端与三相桥式功率变换器中上桥功率变换器件的发射极相连，所述的快反应断路器的另一端分别与双向晶闸管的一端、电机的其中一相电枢绕组端相连，所述的双向晶闸管的另一端连接在两个被串联的母线电容间，所述的接电机地线的双向晶闸管的一端连接有电机的地线，所述的接电机地线的双向晶闸管的另一端连接在两个母线电容间，步骤2）中当I=Im时电机为正常运行工况，四个双向晶闸管均处于断开状态；当检测到I<Im，即其中一相电枢绕组为开路故障时, 数字信号处理器发出指令触发双向晶闸管被导通,同时调整三相桥式功率变换器中各功率开关元件的导通，本方法结束；当检测到I>Im,即三相桥式功率变换器中其中一相功率开关元件短路故障时，数字信号处理器断开故障开关的驱动信号，以防止桥臂直通而短路，然后触发该相连接的双向晶闸管导通，使得母线电容、双向晶闸管、快反应断路器、短路功率开关形成一个回路，存储在母线电容中的能量触发快反应断路器断开，短路的功率开关从逆变器中隔离，同时调整三相桥式功率变换器中各功率开关元件的导通, 本方法结束。

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