CN107968614B - 应用于永磁电机的退磁保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于永磁电机的退磁保护方法，通过非故障电枢绕组主动注入的电流产生短路电流反方向磁场，以抵消故障绕组因为短路电流产生的退磁磁场，实现永磁体退磁保护。可有效保护永磁体，不需要对原有的硬件做出改变，即不需要额外的成本支出。适用于双绕组（多绕组）永磁电动机或发电机，尤其适合大容量，高容错性要求，需求双绕组（多绕组）结构的应用场合。包括但不限于：大容量永磁风力发电机；大功率船用永磁驱动电机；高可靠性车用驱动电机等。

Description

应用于永磁电机的退磁保护方法
技术领域
本发明涉及一种电机的制造与控制技术，特别涉及一种应用于永磁电机的退磁保护方法。
背景技术
永磁同步无刷电机一般包括定子铁芯、定子电枢绕组、转子铁芯和转子永磁体。由于高磁能积永磁体的运用，专门的励磁绕组可以被省略，永磁无刷电机有高效率、高功率密度、高功率因数的优点。但是，在所有永磁电机中，永磁体都面临着不可逆退磁的风险，尤其是在高温及大故障电流的工况下，退磁磁场会严重的威胁永磁体。这种不可逆退磁一旦发生，会永久性的削弱永磁电机的运行性能，是限制永磁电机进一步发展和推广的重要瓶颈。
为了提高永磁电机的抗退磁能力，在传统方法中，会采用更高牌号、内在抗退磁能力更强的永磁体材料，但这将明显的提高电机的材料成本。因此，针对永磁电机，在不改变其永磁体牌号的条件下，通过电机结构和控制策略的方法以降低电机的退磁磁场进而提高电机的抗退磁能力的研究，在学术界和产业界都有很高的价值和意义。
另一方面，在大功率容量、高容错性要求的场合，双绕组(或多绕组)电机正逐渐进入市场。在双绕组(或多绕组)电机中，有两套(或多套)电枢绕组绕制在电机定子上，而且这两套(或多套)绕组可以被独立灵活控制。其每套绕组分担的功率更小，故其对功率开关器件的应力更小，所以安全性更高。另一方面，在一套绕组发生故障的情况下，另一套绕组依然可以继续工作，保证一定的功率输出能力。
发明内容
本发明是针对永磁同步无刷电机中永磁体不可逆退磁限制永磁电机进一步发展的问题，提出了一种应用于永磁电机的退磁保护方法,可有效保护永磁体，使得低牌号低成本永磁体可以被采用，且不需要额外成本。
本发明的技术方案为：一种应用于永磁电机的退磁保护方法，永磁电机具有两套或两套以上独立控制的电枢绕组，当其中一套电枢绕组发生短路故障，由于短路电流而生成的磁场相对电机内的永磁体来讲相当于是一个退磁磁场，此时，控制器控制非故障电枢绕组停止工作，同时通过检测到的短路电流数据计算处理，控制器给非故障电枢绕组通入一个抵消短路电流磁场的增磁电流，使得非故障电枢绕组由输入的增磁电流在电机中产生的磁场与短路电流而生成的磁场始终相反，直到完全抵消。
本发明的有益效果在于：本发明应用于永磁电机的退磁保护方法，可有效保护永磁体，不需要对原有的硬件做出改变，即不需要额外的成本支出，使得低牌号低成本永磁体可以被采用。适用于双绕组(多绕组)永磁电动机或发电机，尤其适合大容量，高容错性要求，需求双绕组(多绕组)结构的应用场合。包括但不限于：大容量永磁风力发电机；大功率船用永磁驱动电机；高可靠性车用驱动电机等。
附图说明
图1为本发明实施例的一种双绕组永磁同步无刷电机的二维截面图；
图2为本发明应用于图1所示双绕组永磁电机的简化控制模型框图；
图3为本发明借助有限元方法的电磁仿真结果图；
图4a为传统方法下在电机发生短路故障后，在最恶劣情况下，即永磁体出现最低磁密时刻下，永磁体内部沿充磁方向的磁密分布云图；
图4b为本发明方法下在电机发生短路故障后，在最恶劣情况下，即永磁体出现最低磁密时刻下，永磁体内部沿充磁方向的磁密分布云图。
具体实施方式
双绕组(或多绕组)电机由于拥有两套或以上可以独立控制的电枢绕组，双绕组电机的控制策略可以进一步优化改善，以提高该电机的永磁体抗退磁能力。在电机的正常运行工况下，两套(或多套)绕组可以采用相似的控制策略，让它们同时产生转矩及功率输出。但是，在故障情况下，例如当一套绕组发生短路故障时，其短路电流会产生很大的退磁磁场威胁永磁体发生不可逆退磁。此时，可以运行特殊的控制策略，灵活控制另一套健康绕组，以产生相应的增磁磁场来抵消故障绕组的退磁磁场，达到保护永磁体不发生不可逆退磁的效果。这正是本发明的核心思想。
图1所示为实施例的一种双绕组永磁同步无刷电机的二维截面图，一个双三相绕组定子360-定子槽/转子120-转子极的外转子永磁同步无刷电机(图中示出其1/60对称模型)。该电机有两套三相电枢绕组(第一套绕组、第二套绕组)绕制于定子齿上，每套绕组包含三相。两套三相的对称分布绕组绕制在电机定子铁芯上，平行充磁的永磁体表贴在转子铁芯上。这个电机包括两套独立的电枢绕组并且每套绕组包括三相。在每个定子槽里放置了分属于两套绕组的两个线圈圈边。图2所示应用于图1所示双绕组永磁电机的简化控制模型框图，控制器分别通过两个独立的逆变器，控制驱动电机的两套电枢绕组。
一般来说，当一套电枢绕组发生短路故障，会产生一个很大的短路电流，由于短路电流而生成的磁场相对电机内的永磁体来讲相当于是一个退磁磁场，此退磁磁场会威胁永磁体造成不可逆退磁。在传统的双绕组电机中，正常工况下，两套绕组均正常控制以输出额定转矩和功率，当一套绕组发生短路故障时，另一套绕组仍然保持原来的控制策略。而在本发明专利中，当检测到一套电枢绕组发生短路故障时，控制器控制另一套电枢绕组停止工作，同时通过检测到的短路电流数据计算处理，通过对逆变器的控制给非故障电枢绕组通入一个抵消短路电流磁场的增磁电流，使得非故障电枢绕组因输入的增磁电流在电机中产生的磁场与短路电流而生成的磁场始终相反，直到完全抵消，即非故障电枢绕组中注入合适的电流主动产生一个与故障相匹配的增磁磁场，其磁场方向与短路电流而生成的退磁磁场相反。这样，非故障电枢绕组的增磁磁场可以抵消或者削弱故障绕组产生的退磁磁场，大大降低由于短路电流而造成的永磁体的不可逆退磁风险。
作为一个实施例，在图1所示的双绕组电机中，当第一套绕组发生短路故障后，永磁体沿充磁方向的最小磁密值随时间的变化图如图3所示。图3显示了两种不同控制策略下的结果，即1：传统控制策略(健康绕组维持正常运行的控制策略、无永磁体退磁保护)；2：本发明专利提出的控制策略(非故障电枢绕组主动注入特殊的电流以抵消故障绕组的退磁磁场，实现永磁体退磁保护)。可以看到，采用传统方法时，永磁体在发生短路故障后的最小磁密为0.14T，而采用本发明专利的退磁保护控制策略后，永磁体的最小磁密增长到0.29T。因此，可以发现永磁体的退磁风险被大大降低。此外，在短路故障后的最恶劣时刻(永磁体出现最低的最小磁密时刻)，永磁体内沿充磁方向的磁密分布云图如图4a、 4b所示。可以发现采用本发明所提出控制策略的永磁体磁密明显高于采用传统策略的永磁体磁密。
因此，在采用本发明所提出的非故障电枢绕组主动注入特定电流的控制策略下，发生短路故障后永磁体的退磁风险可以被显著降低。
需要指出的是，本发明不仅可以应用于双绕组永磁电机，也可以应用于多绕组(电枢绕组个数大于2)永磁电机结构，是用一组、两组或多组来提供增磁磁场，可通过电机结构和实验来确定。
需要强调的是，针对本身已采用双绕组电机结构的应用场合，本发明所提出的方法只需要改变电机在发生短路故障后的控制而策略，不需要对原有的硬件做出改变，即不需要额外的成本支出。
需要强调的是，针对原先采用单绕组结构的传统电机的应用场合，需要将通过改变电机绕组结构将电机绕制成双绕组结构，才能采用本发明所提出的控制方法。需要额外的第二套逆变器驱动。

Claims (1)

1.一种应用于永磁电机的退磁保护方法，永磁电机具有两套或两套以上独立控制的电枢绕组，其特征在于，当其中一套电枢绕组发生短路故障，由于短路电流而生成的磁场相对电机内的永磁体来讲相当于是一个退磁磁场，此时，控制器控制非故障电枢绕组停止工作，同时通过检测到的短路电流数据计算处理，控制器给非故障电枢绕组通入一个抵消短路电流磁场的增磁电流，使得非故障电枢绕组由输入的增磁电流在电机中产生的磁场与短路电流而生成的磁场始终相反，直到完全抵消。
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