CN112928956B - 双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法、系统及介质，双电气端口变磁通记忆电机包括定子铁心和放置于定子铁心的三相交流电枢绕组，三相交流电枢绕组包括第一电枢绕组和第二电枢绕组、转子铁心和放置于转子铁心的可退磁永磁体，该电机的两套电枢绕组独立控制；此电机由控制器驱动，控制器包括三相逆变器，包括第一逆变器和第二逆变器，第一逆变器与第一电枢绕组电气连接，第二逆变器与第二电枢绕组电气连接。本发明在电机系统发生故障的情况下，合理控制剩余健康交流电枢绕组和逆变器，降低故障反电动势、抑制故障电流；适合高容错性需求场合，应用对象包括但不限于高可靠性车用驱动电机、大功率船用驱动电机和大容量风力发电机。

Description

双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及永磁同步电机的制造和控制方法的技术领域，具体地，涉及双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法、系统及介质。

背景技术

永磁同步电机一般包括定子铁心、定子电枢绕组、转子铁心、可退磁永磁体。由于采用高磁能积永磁体作为励磁源，永磁同步电机具有高效率、高功率密度、高功率因数等优势，已成为高性能电机驱动系统的重要研究内容。但是，永磁同步电机的励磁源一般是恒定磁通的永磁体，由于电磁感应作用，随转子同步旋转的永磁磁场会在定子电枢绕组产生交变的反电动势，且反电动势的幅值与电机转子转速成正比列关系，这给永磁同步电机系统的容错控制带来了挑战。

在永磁同步电机以较高转速运行时，需要利用定子电枢绕组施加弱磁电流以降低电机反电动势，使其低于逆变器母线电压，以保持整个系统稳定运行。此时，若电机逆变器故障，无法施加合适的弱磁电流，则过高的电机反电动势将严重威胁整个电机驱动系统的安全。另一方面，当电机的电枢绕组发生短路故障时，较高的反电动势将产生巨大的短路电流，造成电机及逆变器烧毁的风险，这一问题在电机高速运行时更加明显。因此，对于永磁同步电机来说，故障状态下的快速可靠灭磁，是提高电机系统容错能力与可靠性的关键问题，这对于电动汽车驱动电机、多电飞机起动发电机、风力发电机等需要电机系统具有良好容错能力的应用场合，具有重要价值。

变磁通记忆电机作为一种新兴的永磁同步电机类型，其基本结构与常规永磁同步电机类似，即包括定子铁心、定子电枢绕组、转子铁心和可退磁永磁体。相比常规永磁同步电机，变磁通记忆电机的最大区别在于采用了可变磁通永磁体，其永磁体磁化状态可以通过绕组加载正向或负向的直轴电流脉冲以实现增强或削弱，且电流脉冲结束后永磁体的磁化状态可以被记忆和保持。因此，巧妙利用变磁通记忆电机的永磁体磁场强度可以通过施加脉冲电流加以调节的特点，研究该电机系统在发生故障时的灭磁控制方法，是提高永磁同步电机系统容错能力与可靠性的重要途径。但是，需要对该电机的绕组结构做出调整，才可以实现电枢绕组故障发生后继续利用绕组施加弱磁电流以完成灭磁，进而降低故障电流的效果。

针对上述中的相关技术，发明人认为存在有永磁同步机发生短路故障后出现过高反电动势和过大短路电流的问题，因此，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法、系统及介质。

根据本发明提供的一种双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法，

包括双电气端口变磁通记忆电机，所述双电气端口变磁通记忆电机包括：定子铁心和放置于定子铁心的三相交流电枢绕组，所述三相交流电枢绕组包括第一电枢绕组和第二电枢绕组、转子铁心和放置于转子铁心的可退磁永磁体；所述双电气端口变磁通记忆电机通过控制器驱动，所述控制器包括三相逆变器，所述三相逆变器包括第一逆变器和第二逆变器，所述第一逆变器与第一电枢绕组电气连接，所述第二逆变器与第二电枢绕组电气连接，第一电枢绕组与第一逆变器构成的第一电气回路和第二电枢绕组与第二逆变器构成的第二电气回路相互独立；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：正常工况下，三相交流电枢绕组加载正弦电流，输出转矩，完成机电能量转换；

步骤2：当三相交流电枢绕组或三相逆变器发生短路故障时，剩余的非故障健康电气端口加载退磁性质脉冲电流，削弱可退磁永磁体的磁场强度。

优选地，所述双电气端口变磁通记忆电机设置有两套独立的电气端口，所述电气端口包括三相交流电枢绕组及其适配的三相逆变器。

优选地，双电气端口变磁通记忆电机包括：定子铁心、放置于定子铁心的可退磁永磁体、放置于定子铁心的一套三相交流电枢绕组、放置于定子铁心的一套直流脉冲电流绕组、凸极转子铁心；所述双电气端口变磁通记忆电机需适配控制器驱动，所述控制器包括三相逆变器和直流控制器，所述三相逆变器与三相交流电枢绕组电气连接，所述直流控制器与直流脉冲电流绕组电气连接，三相交流电枢绕组与三相逆变器构成的第一电气回路和直流脉冲电流绕组与直流控制器构成的第二电气回路相互独立。

优选地，所述双电气端口变磁通记忆电机设置有两套独立的电气端口，所述电气端口有两种类型，第一种包括三相交流电枢绕组及其适配的三相逆变器，第二种包括直流脉冲电流绕组与直流控制器。

所述双电气端口变磁通记忆电机使用可退磁永磁体，所述可退磁永磁体放置于转子铁心或放置于定子铁心上。

本发明还提供一种双电气端口变磁通电机的故障电流抑制系统，所述系统包括如下模块：

模块M1：正常工况下，三相交流电枢绕组加载正弦电流，输出转矩，完成机电能量转换；

模块M2：当三相交流电枢绕组或三相逆变器发生短路故障时，剩余的非故障健康电气端口加载退磁性质脉冲电流，削弱可退磁永磁体的磁场强度。

优选地，所述双电气端口变磁通记忆电机设置有两套独立的电气端口，所述电气端口包括三相交流电枢绕组及其适配的三相逆变器。

优选地，双电气端口变磁通记忆电机包括：定子铁心、放置于定子铁心的可退磁永磁体、放置于定子铁心的一套三相交流电枢绕组、放置于定子铁心的一套直流脉冲电流绕组、凸极转子铁心；所述双电气端口变磁通记忆电机需适配控制器驱动，所述控制器包括三相逆变器和直流控制器，所述三相逆变器与三相交流电枢绕组电气连接，所述直流控制器与直流脉冲电流绕组电气连接，三相交流电枢绕组与三相逆变器构成的第一电气回路和直流脉冲电流绕组与直流控制器构成的第二电气回路相互独立。

优选地，所述双电气端口变磁通记忆电机设置有两套独立的电气端口，所述电气端口有两种类型，第一种包括三相交流电枢绕组及其适配的三相逆变器，第二种包括直流脉冲电流绕组与直流控制器。

本发明还提供一种存储有控制程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明所述的控制方法基于双电气端口变磁通记忆电机结构，在电机的某一套三相电枢绕组发生故障时，可以通过控制另一套非故障电气端口，主动加载退磁电流脉冲以降低可变磁通永磁体的磁场强度，实现故障灭磁，进而抑制电机反电动势和短路电流幅值。

2.本发明所述的控制方法所需的退磁电流脉冲时间短，相应铜耗可以忽略，而且电流脉冲可以快速削弱永磁体的磁场强度，及时降低反电动势和短路电流，避免损坏电机系统。

3.本发明所述的控制方法适用的双电气端口变磁通记忆电机是基于永磁同步电机而进行结构改良，仍然保持了永磁同步电机高效率、高功率密度和高功率因数的优点。

4.本发明所述的控制方法适用的双电气端口变磁通记忆电机的永磁体结构灵活多样，可以采用表贴式永磁结构或者内嵌式永磁结构；可以采用完全可退磁永磁体(如铝镍钴永磁体)的结构，或者可退磁永磁体(如铝镍钴永磁体)与恒定磁通永磁体(如钕铁硼永磁体)同时存在的混合式永磁结构，两种不同属性永磁体间可以串联、并联或串并混联。

5.本发明所述的控制方法适用的双电气端口变磁通记忆电机的双三相电枢绕组结构灵活多样，可以采用分布式绕组结构或者集中式绕组结构；两套三相绕组之间可以同相位也可以有固定的电角度差。

6.本发明所述的控制方法适用的双电气端口变磁通记忆电机的相数以及定转子齿槽数可以灵活设计，选择范围广。

7.本发明所述的控制方法既适用于转子永磁型变磁通记忆电机，也适用于定子永磁型变磁通记忆电机。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例1的双电气端口变磁通记忆电机的横向剖视结构示意图；

图2为本发明实施例1的双电气端口变磁通记忆电机系统的控制器结构示意图；

图3为双电气端口永磁电机发生短路故障后的故障电流波形；

图4为采用本发明控制方法的双电气端口变磁通记忆电机在发生短路故障后的故障电流波形。

其中：

1、定子铁心；2、三相交流电枢绕组；3、转子铁心；4、可退磁永磁体。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

参照图1,双绕组变磁通记忆电机为定子48槽和转子8极结构，其包括定子铁心1、定子电枢绕组2、转子铁心3以及可退磁永磁体4，其中，转子铁心3位于定子铁心1的内部。定子铁心1和转子铁心3都可采用硅钢冲片叠压制成；定子电枢绕组2放置于定子铁心1上，可退磁永磁体4放置于转子铁心3上。本实施例中定子电枢绕组2为双三相交流绕组，即两套三相电枢绕组，一共有二十四个电枢线圈组成，即每一套三相电枢绕组包含十二个电枢线圈，其中每一相电枢绕组包含四个电枢线圈，具体来看，第一电枢绕组包含2A-1相、2B-1相、2C-1相；第二电枢绕组包含2A-2相、2B-2相、2C-2相。本实施例中共八个转子极。转子每极均采用表贴式可变磁通永磁体的结构，相邻的两个转子极的永磁体充磁方向相反。

参照图2，控制器包括可以独立控制的第一逆变器以及第二逆变器，其中第一逆变器与电机的第一电枢绕组电气连接构成第一电气回路，第二逆变器与第二电枢绕组电气连接构成第二电气回路。

正常运行时，变磁通记忆电机中的第一电枢绕组和第二电枢绕组均加载周期性正弦电流，输出稳定的转矩以完成机电能量转换。在本实施例中，第一电枢绕组和第二电枢绕组的正弦电流同相位。当其中一套电枢绕组发生短路故障时，需要在另一套电枢绕组上主动加载退磁性质的电枢电流脉冲，削弱可退磁永磁体的磁场强度，实现灭磁功能，进而降低故障绕组的反电动势和短路电流幅值，实现避免电机及其控制器发生进一步损坏的效果。

在上述的整个过程中，两套电气回路的功能对等互补，即正常运行时，两套电枢绕组的控制方法完全相同；而当任意一套电气回路发生故障时，另一套电气回路都可以主动加载退磁电流脉冲，完成永磁体的灭磁控制。

参照图3，双绕组变磁通记忆电机在其中一套电气回路发生短路故障后，未采取本发明所述控制方法的电流波形图，图示中包括第一电枢绕中的A相和第二电枢绕组中的A相的电流情况。可以看到，发生短路故障后，故障绕组会产生很大的短路电流，其幅值超过电机额定电流，会由于发热和过流对电机及其逆变器造成损坏。

参照图4，双绕组变磁通记忆电机在其中一套电气回路发生短路故障后，采取了本发明所述控制方法的电流波形图，图示中包括第一电枢绕组中的A相和第二电枢绕组中的A相的电流情况。当一套电枢绕组发生短路故障后，控制器发出指令，利用三相逆变器主动控制另一套非故障电气回路，加载退磁性质的电枢电流脉冲以削弱永磁体的磁场强度，这样，可以大大降低故障绕组中的短路电流幅值。可以看到，发生短路故障后，由于健康电气回路加载退磁电流脉冲的灭磁作用，故障绕组的短路电流幅值明显减小。

实施例2

变磁通记忆电机系统，其电机主要结构包括定子铁心1、放置于定子铁心1的可变磁通永磁体；放置于定子铁心1的交流电枢绕组；放置于定子铁心1的直流脉冲电流绕组；转子铁心3。当该电机正常运行时，电枢绕组加载周期性正弦电流，输出稳定的转矩以完成机电能量转换，此时直流脉冲电流绕组不工作。当电机的交流电枢绕组发生短路故障或相应的三相逆变器发生故障时，在专门的直流脉冲电流绕组上主动加载退磁性质的直流电流脉冲以削弱可退磁永磁体的磁场强度，进而降低电枢绕组上感应出的反电动势幅值和短路电流幅值。

本发明提供的双电气端口变磁通记忆电机系统的故障电流抑制方法及介质基于双电气端口变磁通记忆电机结构，在电机的一套交流电气回路发生故障时，可以通过控制剩余非故障电气回路，主动加载退磁电流脉冲以降低可退磁永磁体的磁场强度，实现灭磁功能，进而抑制电机反电动势和短路电流幅值；本发明的控制方法所需的退磁电流脉冲时间短，相应铜耗可以忽略，而且电流脉冲可以快速削弱永磁体的磁场强度，及时降低反电动势和短路电流，避免损坏电机系统。

本发明使用的双电气端口变磁通记忆电机是基于永磁同步电机而进行结构改良，仍然保持了永磁同步电机高效率、高功率密度和高功率因数的优点；使用的双绕组变磁通记忆电机的永磁体结构灵活多样，可以采用表贴式永磁结构或者内嵌式永磁结构；可以采用完全可变磁通永磁体的结构或者可退磁永磁体和恒定磁通永磁体同时存在的混合式结构。

本发明使用的双电气端口磁通记忆电机的双三相电枢绕组结构灵活多样，可以采用分布式绕组结构或者集中式绕组结构；两套三相绕组之间可以同相位也可以有固定的电角度差；使用的双绕组变磁通记忆电机的相数以及定转子齿槽数可以灵活设计，选择范围广；本发明既适用于转子永磁型变磁通记忆电机，也适用于定子永磁型变磁通记忆电机。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法，其特征在于：

包括双电气端口变磁通记忆电机，所述双电气端口变磁通记忆电机包括：定子铁心(1)和放置于定子铁心(1)的三相交流电枢绕组(2)，所述三相交流电枢绕组(2)包括第一电枢绕组和第二电枢绕组、转子铁心(3)和放置于转子铁心(3)的可退磁永磁体(4)；所述双电气端口变磁通记忆电机通过控制器驱动，所述控制器包括三相逆变器，所述三相逆变器包括第一逆变器和第二逆变器，所述第一逆变器与第一电枢绕组电气连接，所述第二逆变器与第二电枢绕组电气连接，第一电枢绕组与第一逆变器构成的第一电气回路和第二电枢绕组与第二逆变器构成的第二电气回路相互独立；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：正常工况下，三相交流电枢绕组(2)加载正弦电流，输出转矩，完成机电能量转换；

步骤2：当三相交流电枢绕组(2)或三相逆变器发生短路故障时，剩余的非故障健康电气端口加载退磁性质脉冲电流，削弱可退磁永磁体(4)的磁场强度。

2.根据权利要求1所述的一种双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法，其特征在于，所述双电气端口变磁通记忆电机设置有两套独立的电气端口，所述电气端口包括三相交流电枢绕组(2)及其适配的三相逆变器。

3.根据权利要求1所述的一种双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法，其特征在于，所述双电气端口变磁通记忆电机使用可退磁永磁体(4)，所述可退磁永磁体(4)放置于转子铁心(3)上。

4.一种双电气端口变磁通电机的故障电流抑制系统，其特征在于，采用权利要求1至3中任一项所述的双电气端口变磁通电机的故障电流抑制方法，所述系统包括如下模块：

模块M1：正常工况下，三相交流电枢绕组(2)加载正弦电流，输出转矩，完成机电能量转换；

模块M2：当三相交流电枢绕组(2)或三相逆变器发生短路故障时，剩余的非故障健康电气端口加载退磁性质脉冲电流，削弱可退磁永磁体(4)的磁场强度。

5.一种存储有控制程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-3中任一项所述方法的步骤。

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