CN105207446B - 一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机，包括初级和次级，初级长度小于次级长度，初级和次级之间有气隙；所述初级包括电枢齿、容错齿和线圈绕组；所述初级均布2*m个电枢齿和2*m个容错齿，m为电机的相数且m≥3；电枢齿和容错齿交错间隔排列，初级每个电枢齿槽中都只放一套圆盘状线圈绕组，而容错齿上没有绕组；电机次级采用混合磁材料，用一部分铁氧体代替一部分稀土永磁体，构成四种不同的混合磁材料结构，一方面大大减少了稀土永磁体的使用量，降低了电机的成本，另一方面由于永磁体磁能积降低大大减小了电机的涡流损耗，使得电机的效率提高。

Description

一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机

技术领域

本发明涉及一种新型电机和相短路故障容错控制方法，特别是五相容错永磁直线电机及其相短路故障容错矢量控制方法。适用于航空航天、电动汽车等对电机的可靠性和动态性能有较高要求的场合。

背景技术

随着社会的发展以及人们生活水平的提高，对汽车驾乘的舒适性和安全稳定性要求越来越高。作为现代汽车的重要组成部分，悬架系统性能对汽车行驶平顺性和操作稳定性等有着极其重要的影响，因此主动悬架系统的研究受到业内高度重视。作为主动电磁悬架系统的核心部件，圆筒直线电机研究受到重视。电机在故障状态下的容错性能，直接决定着电磁悬架的可靠性和连续运行的能力。

容错电机是指通过改变绕组方式和定子齿结构，在空间上实现相与相之间的电隔离、磁隔离、热隔离和物理隔离，从而提高电机带故障运行能力的一类新型电机。文献IEEETransactions on plasma science 39(1):83-86,2011(Magnetic field of a tubularlinear motor with special permanent magnet)中提出的内嵌式电机没有容错能力，当某一相发生故障，便不能正常运行，无法满足高可靠性和连续运行的要求。中国发明专利申请号201010120847.5《一种容错式永磁直线电机》公开了一种三相容错磁通反向永磁单边平板直线电机，虽然其引入了隔离齿，容错性能提高，但没有解决漏磁严重的问题，其电枢齿表面贴装有两块磁化方向相反的永磁体，导致大量的磁力线不经过动子轭部形成磁回路，在齿端造成磁路短路的现象，产生比较严重的漏磁；另外，由于永磁体表贴在电枢齿表面，由于永磁体和电枢齿之间的机械强度较小，电机的推力或者推力密度很难做大。另一方面，近年来，国内外对稀土永磁体的使用量不断递增，而稀土材料储备有限且价格昂贵，所以电机设计过程中应关注如何减少稀土永磁体的用量，降低电机成本。铁氧体永磁材料价格低廉，产量丰富，供应稳定，所以铁氧体材料是稀土永磁体很好的替代品。

容错电机在某一相发生开路或者短路故障时，电机仍然具有一定的推力或者转矩输出能力，但是推力或者转矩波动很大，噪声增大，严重影响系统性能。容错控制的目标是针对不同应用场合对容错电流进行优化，使电机在故障状态下的输出推力或者转矩尽量平滑，并且使电机性能达到或接近故障前的性能。中国发明专利申请号为201510059387.2的专利《一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法》针对五相容错表贴式永磁旋转电机，将短路故障对电机转矩的影响分解为两部分：一部分是开路故障对转矩的影响；另一部分是短路电流对转矩影响。针对开路故障，采用故障前后磁动势和不变原则以及故障后电流幅值相等原则，优化剩余非故障相的相电流；针对短路电流引起的转矩波动，采用故障后磁动势为零和铜耗最小原则求出非故障相补偿电流；最后两部分电流相加，求得剩余非故障相的电流指令。根据求得的剩余非故障相电流采用电流滞环控制策略，对五相容错表贴式永磁旋转电机进行控制。该方法用于抑制短路相电流导致转矩波动的剩余非故障相补偿电流的幅值是常数，与电机转速无关，且剩余非故障相的补偿电流之和不为零；更为主要的是仅仅给出了短路容错电流，用Maxwell进行了仿真验证，没有提及具体使用何种控制策略进行控制。目前，常用的容错控制方法是：计算出容错电流，然后采用电流滞环策略进行控制。但是，该方法存在开关频率杂乱、噪声大、电机动态性能差等问题，不适合功率较大以及对电机动态性能要求高的场合。

发明内容

针对现有直线电机技术的不足，基于原有次级永磁型圆筒直线电机结构，本发明提出一种节省稀土永磁材料且容错性能好的永磁体内嵌式圆筒直线电机。该电机既能降低稀土永磁体的用量，降低电机成本，同时更为关键的是在保持传统永磁体内嵌式电机优点的基础上提高了直线电机的容错性能。

针对现有电机容错控制技术中存在的不足，以及本发明提出的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的特性和该类电机相短路故障特点，本发明目的是克服电机相短路故障后现有容错策略使用电流滞环控制导致逆变器开关频率杂乱、电机响应速度下降、动态性能差、电流无法精确跟随、噪声严重的缺点以及现有容错控制算法运算复杂的缺陷，提出一种用于本发明的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的高性能短路容错矢量控制方法，实现该类电机系统在短路故障状态下的高容错性能、高动态性能、电流良好的跟随性，减小CPU开销，实现逆变器开关频率恒定、降低噪声，便于电磁兼容设计，进而提高本发明的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机短路故障状态下的动态性能和可靠性。

本发明的装置采用如下技术方案来实现：

一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机，包括初级和次级，初级长度小于次级长度，初级和次级之间有气隙；所述初级包括电枢齿、容错齿和线圈绕组；所述初级均布2*m个电枢齿和2*m个容错齿，m为电机的相数且m≥3；电枢齿和容错齿交错间隔排列，初级每个电枢齿槽中都只放一套圆盘状线圈绕组，而容错齿上没有绕组；其中，第一个电枢齿(3)两侧的槽内和第m+1个电枢齿(3)两侧的槽内放置的集中绕组属于同一相，其余电枢齿(3)两侧槽内的绕组依次属于其他相；

所述次级包括导磁材料和永磁体；采用内嵌方式放置在两块导磁材料之间，每一对永磁体是由稀土永磁体和铁氧体两种混合磁材料组成，永磁体采用轴向交替充磁方式，且稀土永磁体和铁氧体轴向宽度相等；每一个相同充磁方向的永磁体由一种永磁材料组成；或者每一个相同充磁方向的永磁体由两种永磁材料串联或并联组成；永磁体的极与极之间采用导磁材料隔离；

所述电枢齿齿宽w_at和容错齿齿宽w_ft等宽，或电枢齿齿宽w_at大于等于容错齿齿宽w_ft；每一电枢齿以及容错齿上均无调制齿，或者每一电枢齿以及容错齿上均设有调制齿。

进一步，所述内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机采用分数槽结构，极槽关系满足：N_s＝2p±2或者N_s＝2p±1。其中，N_s为初级槽数，p为次级极对数。

进一步，每一极所述永磁体的形状是一个整体圆筒、或内外两个圆筒嵌套成圆筒、或上下(或左右)两个圆筒拼接成一个圆筒、或n块瓦片拼接成一个圆筒且n≥2；永磁体圆筒的壁厚小于导磁材料圆筒的壁厚，且永磁体圆筒的内径大于导磁材料圆筒的内径，永磁体圆筒的外径小于导磁材料圆筒的外径，永磁体圆筒和导磁材料圆筒同轴安装；

进一步，所述内嵌式混合磁材料容错直线电机为单边平板结构、或双边平板结构、或者圆筒型结构，该电机能够作为发电机或者电动机。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的永磁体采用内嵌方式安装在次级上，结构简单、可靠性高(永磁体不会因为推力过大而从次级上脱落、牢固性好)、推力大、推力密度高、效率高、恒功率范围宽、有较大的弱磁调速范围。

2、电机初级上电枢绕组采用圆盘状集中绕组，绕线方便且没有端部绕组，减小了电机电阻和铜耗，且能提高电机效率。每个初级电枢齿两侧的槽里只放置一套绕组，容错齿上没有绕组，起到了对电机相与相之间的物理隔离，实现了相与相间的电隔离、热隔离以及磁路解耦，具有很好的容错性能，使其在对可靠性要求比较高的汽车悬架系统等领域中具有很好的应用前景。通过减小电机容错齿齿宽，能够增大槽面积，从而既提高容错性能，又提升空间利用率以及提高效率。另外，集中绕组方式和永磁体内嵌放置方式相结合使电机结构非常紧凑，安装牢固，电机体积减小，功率密度增大，推力密度提高。容错齿和内嵌式永磁体相结合，解决了容错直线电机推力小的问题。在电枢齿和容错齿上设置调制齿，且将调制齿和内嵌式永磁体结合使得电机低速时的推力密度进一步提升。

3、电机次级采用混合磁材料，用一部分铁氧体代替一部分稀土永磁体，构成四种不同的混合磁材料结构，一方面大大减少了稀土永磁体的使用量，降低了电机的成本，另一方面由于永磁体磁能积降低大大减小了电机的涡流损耗，使得电机的效率提高。永磁体采用轴向交替磁化方式，且和导磁材料交替安装在次级上，永磁体圆筒壁厚小于导磁材料圆筒壁厚，永磁体圆筒内径大于导磁材料圆筒内径，永磁体圆筒外径小于导磁材料圆筒外径，且永磁体圆筒和导磁材料圆筒同轴安装，大大降低了相邻N极和S极永磁体之间的漏磁磁通，提高了永磁材料的利用率。永磁体嵌入式结构、混合磁材料和永磁体圆筒与导磁材料圆筒之间的尺寸关系及安装方式相结合使直线电机的漏磁大大减小，降低了涡流损耗，提高了永磁材料的利用率，降低了电机制造成本，提升了电机效率，减小了电机体积，增加了推力密度。混合磁材料内嵌式结构、永磁体圆筒与导磁材料圆筒之间的尺寸关系及同轴安装方式与容错相结合使得直线电机具有低成本、高效率、高容错性能、高可靠性、高推力密度及宽调速范围。

4、本发明在保证电机某一相短路故障前后电机输出推力相等的前提下，不但能有效抑制电机推力波动，而且更为关键的是能使电机容错运行情况下的动态性能、电流跟随性能和正常状态下的性能一致，并且无需复杂的计算，电压源逆变器开关频率恒定、噪声低、CPU开销小；任何一相短路故障时，自然坐标系只需逆时针旋转一定角度，就能使电机容错运行，算法具有一定的通用性。

5、采用本发明短路容错矢量控制策略后，该类电机在A相短路故障情况下，容错运行时，其动态性能、稳态性能和电机正常状态下一样，且输出推力几乎没有波动，在电机系统允许的最大电流极限值以下，电磁推力和故障前保持一致，实现了无扰容错运行。

6、由本发明中的剩余非故障相电流矢量推导出的推广克拉克变换矩阵及其逆变换矩阵以及定义的帕克变换矩阵和其逆矩阵不但能在短路故障状态下将剩余非故障相的电压、电流、电阻、电感按等幅值变换到同步旋转坐标系上，同时能将同步旋转坐标系上的这些变量变换到剩余非故障相所在的自然坐标系上；而且能将零序空间的变量提取出来，用于控制，能降低电机损耗，抑制推力脉动。采用剩余非故障相反电势矢量推导出的推广克拉克变换矩阵及其逆变换矩阵以及定义的帕克变换矩阵和其逆矩阵只能在短路故障状态下将剩余非故障相的电压、电流、电阻、电感按等幅值变换到同步旋转坐标系上，和将同步旋转坐标系上的这些变量变换到剩余非故障相所在的自然坐标系上，无法通过变换求得零序空间的变量。本发明中在短路相电流和非故障相的短路补偿电流的磁动势和为零的基础上，采用短路补偿电流幅值相等或者铜耗最小原则，求取的短路补偿电流结果一致，使得电机每相铜耗相等，发热相等，且铜耗最小，每相发热均衡，提高了电机的可靠性。短路补偿电流和推广克拉克变换矩阵相结合，降低了CPU开销。

7、推广克拉克变换矩阵和帕克变换矩阵相结合实现了故障状态下剩余非故障相构成的自然坐标系到同步旋转坐标系的变换，为电机故障状态下的容错矢量控制创造了前提条件，另一方面在故障状态下实现了对零序空间自由度的控制，减小了电机铜耗和铁耗，提高了电机效率，抑制了由于零序空间电流导致的电机推力波动和损耗。短路补偿电流的提取、短路补偿电压的前馈、推广克拉克变换矩阵、帕克变换矩阵以及零序电压谐波注入的CPWM调制相结合使得电机相短路故障状态下的推力和磁链实现了解耦，实现了短路故障状态下在同步旋转坐标系上对电机推力和磁链的解耦控制，提高了逆变器母线电压利用率，同时减小了容错矢量控制算法的复杂性，因此实现了电机容错运行，且提高了电机短路故障状态下的电流跟随性能、电机动态性能、稳态性能，使电机动态性能、稳态性能和电机故障前的性能一致。短路容错矢量控制策略、零序电压谐波注入的CPWM调制与五相内嵌式混合磁材料圆筒直线电机相结合，大大提高了该电机在相短路故障状态下的容错性能、动态性能和稳态性能，提升了电机上限速度，节省了CPU开销，降低了噪声，降低了电磁兼容设计难度，使得该电机在相短路故障状态下控制精度高，电流跟随性能好，电机效率高、输出推力响应速度快且推力脉动和故障前一样小，电机系统电磁兼容设计难度降低，更适合应用于电磁主动悬架等对电机动态性能、稳定性能、控制精度、可靠性、容错性、电磁兼容等要求高的场合。

8、本发明能够有效克服传统电流滞环导致的逆变器开关频率杂乱、电机故障后电机响应速度下降、电流跟随性差、噪声严重、电磁兼容设计难度大的缺点；尤其在电机相短路故障状态下，容错矢量控制过程中电流能够精确跟随、稳态性能和动态性能较电流滞环控制好，实现了电机系统的在短路故障状态下的高容错性以及高动态性能。

附图说明

图1为本发明实施例五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的结构示意图；

图2为本发明的五相内嵌式混合磁材料容错平板直线电机的实施例示意图一；

图3为本发明的五相内嵌式混合磁材料容错平板直线电机的实施例示意图二；

图4为本发明实施例五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的绕组接线示意图；

图5为本发明实施例四种不同结构的混合磁材料永磁体方案图；

图6为本发明实施例四种不同结构的混合磁材料永磁体以及在容错齿和电枢齿上设调制齿方案图；

图7为本发明实施例和与之对应的全稀土永磁体(汝铁硼)容错圆筒直线电机的反电动势波形图；

图8为本发明实施例五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机B相电枢反应磁场分布图；

图9为本发明实施例五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机B相电感波形图；

图10为本发明实施例五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机基于零序电压谐波注入的CPWM矢量控制策略原理图；

图11为本发明实施例五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机短路容错矢量控制策略原理图一；

图12为本发明实施例五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机短路容错矢量控制策略原理图二；

图13为本发明实施例A相短路故障时电机无容错运行时的相电流波形；

图14为本发明实施例A相短路故障时电机无容错运行时的推力波形；

图15为本发明实施例A相短路故障时使用本发明短路容错矢量控制策略容错运行时的相电流波形；

图16为本发明实施例A相短路故障时使用本发明短路容错矢量控制策略容错运行时的推力波形；

图17为本发明实施例五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机无故障运行过程中推力指令阶跃时其输出推力响应图；

图18为本发明实施例五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机A相短路容错运行过程中推力指令阶跃时其输出推力响应图；

图19为本发明实施例使用本发明短路容错矢量控制策略的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机在A相短路故障恢复后B相发生短路故障后电机容错运行时的相电流波形。

图20为本发明实施例使用本发明短路容错矢量控制策略的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机在A相短路故障恢复后B相发生短路故障后电机容错运行时推力波形。

图中：1.初级；2.次级；3.电枢齿；4.容错齿；5.线圈绕组；6.稀土永磁体；7.铁氧体；8.导磁材料；9.调制齿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

为了能够更加简单明了地说明本发明的内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的结构特点和有益效果，下面结合一个具体的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机来进行详细的表述。

为了更清楚的说明本发明，将本发明内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的极槽配比具体化，根据上述提出的公式，选择m＝5，即为五相电机，则电机电枢齿3和容错齿4的个数均为2*m＝10个，且N_s＝20，极对数p＝9。电枢齿3齿宽W_at和容错齿4齿宽W_ft等宽，在考虑适量扩大槽面积的情况下，可适当减小容错齿的大小，即W_at≥W_ft；该实施例取W_at＝W_ft，即电枢齿和容错齿齿宽相等；取永磁体轴向宽度W_pm与次级齿宽W_st的比值为W_pm/W_st＝1.2；取初级槽宽W_ss和初级齿宽W_at、W_ft(W_at＝W_ft)的比值为W_ss/W_at＝1.72；取初级极距T_s与次级极距T_r的关系为T_r/T_s＝2.2。

本发明的内嵌式混合磁材料容错直线电机为圆筒型结构，或者平板结构(初级和次级均只有一个；或者次级位于两个初级的中间；在平板结构情况下，上述权利中涉及的圆筒均改为长方体)，该电机能够作为发电机或者电动机使用。

如图1所示，本发明实施例的内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机结构示意图，包括初级1、次级2。初级1中包括电枢齿3、容错齿4和线圈绕组5，且电枢齿3和容错齿4都为10个，次级2上内嵌有稀土永磁体6和铁氧体7，初级1和次级2之间存在气隙，初级1和次级2上除永磁体和绕组之外的部分都是由廉价的导磁材料8制成，比如电工铁、硅钢、软磁材料(如坡莫合金)等，实施例中采用的是硅钢。取初级极距T_s与次级极距T_r的关系为T_r/T_s＝2.2。另外，图2和图3为本发明的平板直线电机的实施例示意图。

图4所示本发明实施例的绕组接线示意图，本实施例电机是五相，有10个电枢齿3，线圈绕组5采用集中绕组绕制方式，十个电枢齿两侧槽中放置的圆盘状线圈绕组依次为A1相，C1相，E1相，B1相，D1相，A2相，C2相，E2相，B2相，D2相，而且各个线圈的绕线方向一致，将A1、A2相正向串联(或并联)得A相，其他四相利用同样方式可得。

电机次级2上的每一块永磁体采用嵌入方式安装在次级2的两块导磁材料8之间，次级2上每一极永磁体的形状是整体一个圆筒、或内外两个圆筒嵌套成圆筒或上下(或左右)两个圆筒相接成圆筒或者n(n≥2)块瓦片拼成圆筒，永磁体采用轴向交替充磁方式。永磁体是混合磁材料，大大降低了电机成本；永磁体圆筒壁厚小于导磁材料圆筒壁厚，且永磁体圆筒的内径大于导磁材料圆筒的内径，永磁体圆筒的外径小于导磁材料圆筒的外径，永磁体圆筒和导磁材料圆筒同轴安装。具体地说，图5列出了四种不同的混合磁材料结构，图5(a)中汝铁硼永磁体放置在圆筒外侧，铁氧体7放置在圆筒内侧(或者将汝铁硼永磁体放置在圆筒内侧，铁氧体7放置在圆筒外侧)；图(b)和(c)中次级上每一极永磁体由汝铁硼和铁氧体7串联组成；但图5(b)中次级2上导磁材料两边的永磁体材料相同，不是汝铁硼就是铁氧体；而图5(c)中次级上导磁材料两边的永磁体材料不相同，一边是汝铁硼，另一边是铁氧体；图5(d)中所有铁氧体7励磁方向相同，所有汝铁硼充磁方向相同，但其充磁方向和铁氧体7相反，汝铁硼永磁体和铁氧体永磁体交替依次安装在次级上。本发明实施例以图5(d)进行性能说明，即由稀土(汝铁硼)永磁体6和铁氧体永磁体7的极性构成电机次级的一对极，且两者的轴向宽度相等，次级上每个极上的永磁体是整体一个圆筒，永磁体圆筒壁厚是次级上导磁材料圆筒壁厚的0.75倍，永磁体圆筒内径大于导磁材料内径，且永磁体圆筒和导磁材料圆筒是同轴安装。图6为本发明实施例在容错齿和电枢齿上加调制齿9的情况下四种不同结构的混合磁材料永磁体方案图。

图7为采用混合磁材料的结构和采用全稀土永磁体结构所对应的反电动势的比较，可以发现，稀土永磁体6的使用量降低了50％，而反电动势仅下降了26％，且由全稀土永磁体产生的反电势波形在腰部发生了塌陷，因此设计中采用混合磁材料是可接受的。另外，反电动势波形正弦对称，易于交流驱动方式进行驱动。图8为本发明实施例的B相电枢反应磁场。由于初级1中引入了容错齿4，线圈上的磁通大部分通过电枢齿3和电枢齿3两侧的容错齿4构成回路，只有很少的磁通与其他线圈交链，实现电枢绕组的空间物理隔离，使得电机的各相绕组相互独立，相与相之间磁路独立，避免了相间短路的发生，实现了热隔离、电隔离以及磁路解耦，提高了电机的容错性能。图9为本发明实施例的B相电感波形图。可知电机相与相之间的互感大大降低了，仅为自感的1.0％，说明电机具有很好的相间独立性，即电机有很好的容错性能，且自感的波动较小，可以认为相电感是常数。

在传统使用正弦波作为调制波的载波脉宽调制(CPWM)方法基础上，在五相正弦调制波中注入c₀＝-(max(u_i)+min(u_i))/2的零序电压谐波(u_i是五相正弦调制波每一相函数)的CPWM方法与五相SVPWM方法能获得相同的磁链控制效果。因此本发明采用基于注入零序电压谐波的CPWM方法进行脉宽调制。

图10五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机由电压源逆变器供电，采用基于零序电压谐波注入的CPWM技术的矢量控制策略，控制框图见图10所示。电机正常状态稳态运行时，各相绕组电流可表示为

式中，分别是旋转坐标系d轴、q轴的电流指令。

电机产生的行波磁动势(MMF)可表示为

式中，α＝e^j2π/5，N为各相定子绕组的有效匝数。

第一部分，当电机发生相短路故障时，假设A相发生短路故障。先使用电机剩余的非故障相电流补偿短路故障相导致该相正常推力缺失。此时，设A相电流为零，电机内部的行波磁动势由剩余的四相非故障相绕组产生，可表示为

为实现电机相短路故障后无扰运行，需保持电机相短路故障前后行波磁动势一致，因此需调整剩余非故障相定子电流使电机故障前后行波磁动势的幅值与速度保持不变。于是，令式(2)、式(3)的实部与虚部均相等。

电机绕组采用星形连接，且其中心点与直流母线电压的中心点不相连，因此，绕组相电流之和为零。以短路故障相A相轴线为轴，根据镜像对称原理，设

由上述约束条件以及非故障相电流幅值相等的条件，得电机容错运行的相电流指令为

式(5)采用矩阵形式可表示为

在A相发生开路故障后，系统自由度降为三个，其中两个自由度位于基波子空间，一个自由度位于零序子空间。由于机电能量转换发生在基波子空间，基波子空间的两自由度需要根据电机推力需求进行控制。零序子空间的自由度只会增加损耗和推力脉动，需要控制为零。因此为实现故障后的容错矢量控制，需获得A相短路故障后的坐标变换矩阵，因此需选择正交的T₁和T₂作为基波子空间的基。根据式(6)电流矢量，选择

或者，根据绕组空间分布，选择

基波子空间和零序子空间必须正交，且零序电流需控制为零，因此零序子空间的矢量基Z需满足如下条件：

考虑相电流和为零的约束条件(4)，由式(7)、式(8)和式(11)求得从自然坐标系到两相静止坐标系的推广克拉克变换矩阵T_4s/2s为

其逆变换矩阵为

由于绕组星形连接，其相电流之和为零，式(12)第四行将自然坐标系上的相电流变换到零序空间的电流为零，因此去掉式(12)第四行和式(13)第四列，得

或者，将式(9)和(10)代入式(11)，求得零序空间的矢量Z为

Z＝[z z z z] (16)

式中，z为常数。若取z＝0.4522，从自然坐标系到两相静止坐标系的推广克拉克变换矩阵T_4s/2s为

其逆变换矩阵T_2s/4s为

由于绕组星形连接，其相电流之和为零，式(17)第三行将自然坐标系上的电流变换到零序空间的电流为零，因此可去掉式(17)第三行和式(18)第三列。但为了与式(14)和式(15)在后期公式推导过程一致，便于公式推导，此处暂不去除。

基波子空间需要进行能量转换，因此将基波子空间的能量转换到同步旋转坐标系，零序子空间不需要变换到同步旋转坐标系。因此定义两相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵C_2s/2r及其逆变换矩阵C_2r/2s分别为

由于该容错永磁直线电机的相电感的互感相对自感很小(如图9所示)，可忽略不计，且自感随次级位置波动的幅值较小，因此将相电感近似为常数，于是相电感不受坐标变换的影响。图7所示该电机的反电势，正弦度较好，可忽略该反电势的高次谐波，认为电机反电势为正弦波。反电势矢量角是有每相绕组在空间的位置决定的，因此反电势不能像电流一样使用本发明提出的坐标变换矩阵。因此，为了实现该类容错永磁直线电机在A相开路故障状态下的矢量控制，该电机开路故障状态下在自然坐标系下的模型可表示为

采用坐标变换矩阵T_4s/2s式(14)或式(17)和C_2s/2r式(19)将式(21)变换到同步旋转坐标系

式中ω＝πv/τ＝2πf，τ为极距，v是次级运行电速度。

采用磁共能方法，由变换矩阵式(14)、式(15)、式(19)和式(20)推导出该电机在开路故障容错状态下的推力方程

式中，λ_m为永磁磁链，θ为电角度θ＝∫ωdt。

或者，采用磁共能方法，由变换矩阵式(17)-式(20)推导出该电机在开路故障容错状态下的推力方程

因此，根据式(22)以及式(23)或式(24)，只要在同步旋转坐标系下控制i_d、i_q、i_z就能使本发明中的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机在故障状态下输出期望的推力。

第二部分，在第一部分的基础上，当电机发生相短路故障时，使用非故障相电流抑制短路相电流导致的推力波动。

假设A相的短路电流为i_sc＝I_fcos(ωt-θ_f)，其中，I_f是短路电流的幅值，θ_f是A相反电势和A相短路电流的夹角。

方法一：

电机绕组采用星形连接，且其中心点与直流母线电压的中心点不相连，因此，非故障相用于抑制短路故障相电流导致推力波动的补偿电流之和应为零。以短路故障相A相轴线的垂线(该垂线需经过电机绕组中心点)为轴，定义非故障相抑制短路故障相电流导致推力波动的短路补偿电流(i″_B、i″_C、i″_D、i″_E)

根据非故障相用于抑制短路故障相电流导致推力波动的补偿电流幅值相等的原则，式(25)进一步定义为

其中，x_b、y_b分别为这部分补偿电流余弦项和正弦项的幅值，ω＝πv/τ＝2πf，v直线电机动子电速度，τ为极距。

根据非故障相用于抑制故障相短路电流导致电机推力波动的补偿电流和短路故障相电流的合成磁动势为零的原则，即MMF＝Ni_sc+αNi″_B+α²Ni″_C+α³Ni″_D+α⁴Ni″_E＝0，由式(26)解得

将式(27)代入式(26)求得用于抑制短路相电流导致电机推力波动的非故障相的短路补偿电流(i″_B、i″_C、i″_D、i″_E)

方法二：

假设用于抑制A相短路电流导致推力波动的非故障相的短路补偿电流(i″_B、i″_C、i″_D、i″_E)

其中，x_b、x_c、x_d、x_e、y_b、y_c、y_d、y_e分别为这部分补偿电流的余弦项和正弦项的幅值，ω＝πv/τ＝2πf，v直线电机动子电速度，τ为极距。

电机绕组采用星形连接，且其中心点与直流母线电压的中心点不相连，因此，

i″_B+i″_C+i″_D+i″_E＝0 (30)

根据非故障相用于抑制短路故障相电流导致电机推力波动的短路补偿电流和短路故障相电流的合成磁动势为零的原则，即MMF＝Ni_sc+αNi″_B+α²Ni″_C+α³Ni″_D+α⁴Ni″_E＝0，以及基于这部分补偿电流产生的铜耗最小原理，设计目标函数

f(x_b,y_b,x_c,y_c,x_d,y_d,x_e,y_e)＝(x_b ²+y_b ²)+(x_c ²+y_c ²)+(x_d ²+y_d ²)+(x_e ²+y_e ²) (31)

结合以上约束条件，采用拉格朗日乘数法求解目标函数式(31)的最小值，从而求得

将式(32)和式(33)代入式(29)，求得用于抑制短路相电流导致电机推力波动的非故障相的短路补偿电流为

因此，A相短路故障后，无论是基于非故障相补偿电流幅值相等还是基于铜耗最小原理，电机要获得和故障前一样的推力，结合式(5)和式(28)或者式(34)，其合成电流指令为

第三部分，短路容错矢量控制策略

使用式(14)或式(17)推广克拉克变换矩阵T_4s/2s将式(28)或式(34)变换到两相静止坐标系

使用式(14)或式(17)推广克拉克变换矩阵T_4s/2s将在自然坐标系下采样的剩余四相非故障相电流(i_B、i_C、i_D、i_E)变换到两相静止坐标系上的电流(i′_α、i′_β、i_z′)，将该电流减去式(36)，得

采用式(19)派克变换矩阵C_2s/2r将式(37)两相静止坐标系上的电流变换到旋转坐标系上的电流(i_d、i_q、i_z)。

或者，将在自然坐标系下采样到的剩余四相非故障相电流(i_B、i_C、i_D、i_E)减去式(28)或式(34)电流，即

采用式(14)或式(17)推广克拉克变换矩阵T_4s/2s和式(19)派克变换矩阵C_2s/2r将式(38)电流变换到旋转坐标系上的电流(i_d、i_q、i_z)。

将旋转坐标系上的电流指令和反馈电流(i_d、i_q、i_z)的差值经电流PI调节器得到旋转坐标系上的电压指令采用式(20)派克逆变换矩阵C_2r/2s将该电压指令变换到两相静止坐标系上的电压指令

为获得式(28)或式(34)推导出的补偿电流，根据A相短路电流和A相反电势的关系，以及短路补偿电流的数学表达方式，定义剩余四相非故障相的短路补偿电压为

使用式(14)或式(17)推广克拉克变换矩阵T_4s/2s将式(40)变换到两相静止坐标系，得

将两相静止坐标系上的电压指令和式(41)相加，得

采用式(15)或式(18)推广克拉克逆变换矩阵T_2s/4s将式(42)电压指令变换到自然坐标系上的电压指令再和各相反电势相加得期望相电压指令

或者，采用式(15)或式(18)推广克拉克逆变换矩阵T_2s/4s将两相静止坐标系上的电压指令变换到自然坐标系上的电压指令

将式(44)电压和式(40)短路补偿电压相加，再和各相反电势相加得期望相电压指令

式(43)或式(45)期望相电压经电压源逆变器采用基于零序电压谐波注入的CPWM调制实现五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机A相短路故障情况下的无扰容错运行。因此本发明提出的高性能短路容错矢量控制策略如图11或图12所示。

按图10和图11或图12在Matlab/Simulink中建立图1所示五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的控制系统仿真模型，进行系统仿真，得五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机短路故障容错矢量控制仿真结果。

图13是A相短路故障情况下电机无容错运行时的相电流波形，电流波动明显。图14是A相短路故障情况下电机无容错运行时的电磁推力波形，电机推力波动达到34N。图15为A相短路故障情况下采用本发明短路容错矢量控制策略后电机容错运行时的相电流波形，电流波动减小，和式(35)计算电流吻合。图16为A相短路故障时采用本发明容错矢量控制策略后电机容错运行时电机输出推力波形，电机短路容错运行后和故障前一样几乎没有推力波动，推力波动得到有效抑制。图17为五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机无故障运行过程中推力指令阶跃时输出推力响应，响应时间为0.6ms。图18为五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机A相短路故障后电机容错运行过程中推力指令阶跃时输出推力响应，响应时间同样为0.6ms。可见，采用图11或图12所示的本发明短路容错矢量控制策略后，电机在A相短路故障情况下，容错运行时，其动态性能和电机正常状态下一样，且输出推力没有波动，电磁推力和故障前保持一致，电流跟随性能好，实现了无扰容错运行。

若电机任何一相发生短路故障，该相和A相间隔电角度2kπ/5(k＝0、1、2、3、4，A相故障时，k＝0；B相故障时，k＝1；C相故障时，k＝2；D相故障时，k＝3；E相故障时，k＝4)，只需将自然坐标系逆时针旋转2kπ/5电角度，使故障前的A相轴线和故障相轴线重合且方向一致。然后将C_2s/2r和C_2r/2s中的θ用θ-2kπ/5代替，即

以B相故障开路为例，只需将自然坐标系逆时针旋转2π/5，即，令式(46)和式(47)中k＝1。图19和图20为使用本发明容错矢量控制策略后的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机在A相短路故障0.06s后恢复正常，再过0.06s后B相发生短路故障，在整个过程中电机的相电流波形及输出推力波形，在短路情况下的推力和正常时的一样，几乎没有波动。可见本发明短路容错矢量控制策略适合电机五相中任何一相发生短路故障的情况，避免了复杂计算，节省了CPU开销，通用性强。

从以上所述可知，本发明内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机采用混合磁材料的方法，和传统内嵌式圆筒直线电机相比，节省了稀土永磁体的使用量，减小了漏磁磁通，提高了永磁体利用率，大大降低电机的制作成本，同时引入了容错齿，大大提高了圆筒直线电机的容错性能和可靠性。

本发明用于五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的短路容错矢量控制策略在电机驱动系统允许最大电流情况下，不但能保证一相短路故障时电机输出推力和正常状态下一致，而且能明显抑制电机相短路故障后的推力波动，更为关键的是具有和故障前一样的动态性能、稳定性能和电流跟随精度，且适合任何一相发生短路故障的情况，通用性强，无需复杂计算，CPU开销小。使得其在电磁主动悬架系统等对运行可靠性要求高的系统中拥有很好的应用前景。因此，本发明在电磁主动悬架系统等对运行可靠性要求高的系统中拥有很好的应用前景。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，均属于本申请所附权利要求所限定的保护范围。

Claims (4)

1.一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机，其特征在于，包括初级(1)和次级(2)，初级(1)长度小于次级(2)长度，初级(1)和次级(2)之间有气隙；

所述初级(1)包括电枢齿(3)、容错齿(4)和线圈绕组(5)；所述初级(1)均布2*m个电枢齿(3)和2*m个容错齿(4)，m为电机的相数且m≥3；电枢齿(3)和容错齿(4)交替间隔排列，初级(1)上每个电枢齿两侧的槽中都只放置一套线圈绕组(5)，而容错齿(4)上没有绕组；其中，第一个电枢齿(3)两侧的槽内和第m+1个电枢齿(3)两侧的槽内放置的集中绕组属于同一相，其余电枢齿(3)两侧槽内的绕组依次属于其他相；

所述次级(2)包括导磁材料(8)和永磁体；永磁体采用内嵌方式放置在两块导磁材料之间，每一对永磁体是由稀土永磁体(6)和铁氧体(7)两种混合磁材料组成，永磁体采用轴向交替充磁方式，且稀土永磁体(6)和铁氧体(7)轴向宽度相等；每一个相同充磁方向的永磁体由两种永磁材料串联或并联组成；永磁体的极与极之间用导磁材料(8)隔离；

电枢齿(3)齿宽w_at大于等于容错齿(4)齿宽w_ft；每一电枢齿以及容错齿上均无调制齿(9)，或者每一电枢齿以及容错齿上均设有调制齿(9)。

2.根据权利要求1所述的一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机，其特征在于，所述内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机采用分数槽结构，极槽关系满足：N_s＝2p±2或者N_s＝2p±1，N_s为初级槽数，p为次级极对数。

3.根据权利要求1所述的一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机，其特征在于，每一极所述永磁体的形状是一个整体圆筒、或内外两个圆筒嵌套成圆筒、或左右两个圆筒拼接成一个圆筒、或n块瓦片拼接成一个圆筒且n≥2；永磁体圆筒的壁厚小于导磁材料圆筒的壁厚，且永磁体圆筒的内径大于导磁材料圆筒的内径，永磁体圆筒的外径小于导磁材料圆筒的外径，永磁体圆筒和导磁材料圆筒同轴安装。

4.根据权利要求1所述的一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机，其特征在于，所述内嵌式混合磁材料容错直线电机为圆筒型结构，该电机能够作为发电机或者电动机。