CN203014718U

CN203014718U - 一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机

Info

Publication number: CN203014718U
Application number: CN 201220643396
Authority: CN
Inventors: 张志锋; 白保东; 赵国新
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2022-11-29

Abstract

本实用新型涉及一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于：包括有两个磁通切换型永磁直线同步电机，一个动子支撑壳体、一个定子支撑组成；每个磁通切换型永磁直线同步电机又都由长定子铁心、动子铁心、动子绕组，永磁体以及动子和定子之间的空隙，即气隙高度组成；一个定子支撑支撑着两个相同的两个长定子铁心，一个动子支撑壳体连接两个相同的磁通切换型永磁同步电机的两个动子；定子支撑体上有滑道，动子支撑壳体上有滑块；动子支撑壳体上安装动子铁心，动子铁心里间隔着嵌着N极、S极永磁体，动子铁心连同永磁体外缠绕着动子绕组。其目的在于解决磁通切换型永磁直线同步电机电机动子的稳定悬浮问题，消除了电机运行中的摩擦。

Description

一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机

技术领域

本实用新型属于长行程轨道交通领域，具体涉及磁悬浮列车用磁通切换型永磁直线同步电机的设计及控制领域。磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机，将磁悬浮技术引入到磁通切换型永磁直线同步电机设计及其控制方法中将使其应用于轨道交通等长定子应用场合的应用时既能集成直线感应电机结构简单、成本低与永磁直线电机功率密度高、效率高，又能够从根本上运行中的摩擦问题。

背景技术

磁通切换型（flux switching）永磁直线同步电机的永磁体和电枢绕组都安置在短初级动子上，其次级结构简单，仅由导磁铁心组成，集成了直线感应电机结构简单、成本低与功率密度高、效率高、功率因数高等一些列优点，特别适用于长定子应用场合，国内外学者对其进行了广泛的研究，取得了相应的成果。

磁悬浮技术是起源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。上世纪70年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。我国自90年代初开始有组织地进行了磁浮铁路的研究发展工作和调研论证工作，形成了铁道科学研究院、西南交通大学、国防科技大学、中国科学院电工所4个小组，在低速方面做出了一些有意义的成绩，在高速方面进行过较为深入的调研论证，但总起来说，力量与基础仍十分薄弱。目前，磁悬浮原理除了磁悬浮列车上的应用，在磁悬浮轴承、磁悬浮平面电机以及数控机床高精度永磁直线电机进给等场合的应用也得到了国内外学者的重视。

如果能将磁悬浮原理引入到磁通切换型永磁直线电机中，即利用电机的永磁磁场，合理地控制电机电流的励磁分量对永磁磁场进行増磁或者去磁，使电机的法向力（磁悬浮力）与电机动子的重力平衡，实现电机动子的稳定悬浮，将不仅能保持磁通切换型永磁直线同步电机的优点，而且能从根本上解决电机运行中的摩擦问题，能在提高电机性能的同时降低后期的维护成本。

发明内容

发明目的：本实用新型提供一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机及其控制方法，其目的在于解决磁通切换型永磁直线同步电机电机动子的稳定悬浮问题，消除了电机运行中的摩擦。

技术方案：

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于：包括有两个磁通切换型永磁直线同步电机，一个动子支撑壳体、一个定子支撑组成；每个磁通切换型永磁直线同步电机又都由长定子铁心、动子铁心、动子绕组，永磁体以及动子和定子之间的空隙，即气隙高度组成；一个定子支撑支撑着两个相同的两个长定子铁心，一个动子支撑壳体连接两个相同的磁通切换型永磁同步电机的两个动子；定子支撑体上有滑道，动子支撑壳体上有滑块；动子支撑壳体上安装动子铁心，动子铁心里间隔着嵌着N极、S极永磁体，动子铁心连同永磁体外缠绕着动子绕组。

将磁悬浮原理引入到磁通切换型永磁直线电机中，实现电机的无摩擦运行；该电机由两个磁通切换型永磁直线同步电机组成，每个磁通切换型永磁直线同步电机没有单独的悬浮绕组，仅有一套动子绕组。

从电机本体结构优化与先进控制策略一体化综合分析，得到一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机及其控制方法，在电机设计时选择气隙高度时，综合考虑电机的机械可靠性、有效材料的利用、电机的电抗参数，还要考虑到电机动子的重力，稳定悬浮所需的法向力因素。

一种如上所述的磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机的竖直方向稳定悬浮控制方法，其特征在于：在对其进行稳定悬浮控制时，通过对动子绕组中的电流进行解耦控制实现电机竖直方向稳定悬浮，沿长定子方向水平稳定运行；通过重力加速度传感器，获得电机动子重力的变化，确定需要永磁体产生的永磁磁场进行增磁或者弱磁来确定给定电机的励磁电流分量，然后通过H_∞控制算法实现对电机励磁电流的控制，从而控制电力法向力的大小，使其和电机动子重力平衡，实现动子稳定悬浮；在实现稳定悬浮的基础上，对电机电流的q轴分量进行控制，实现电机动子沿着长定子方向水平稳定运行。

优点效果：本实用新型将磁悬浮技术引入到磁通切换型永磁直线同步电机的设计和控制中，从电机本体结构优化与先进控制策略一体化综合分析，得到一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机的设计及控制方法，该方法在保留了磁通切换型永磁直线同步电机在长行程应用场合具有的、结构简单、成本低、功率密度高、效率高、功率因数高等一些列优点的基础上，通过磁悬浮技术引入，解决了磁通切换型永磁直线同步电机电机动子的稳定悬浮问题，消除了电机运行中的摩擦。

附图说明：

图1为本实用新型磁通切换型磁悬浮永磁同步电机三维结构示意图；

图2为本实用新型磁通切换型磁悬浮永磁同步电机的正视图；

图3为本实用新型磁通切换型磁悬浮永磁同步电机的剖面图；

图4为本实用新型磁通切换型磁悬浮永磁同步电机控制系统的原理示意图；

图中：1. 长定子铁心；2. 动子铁心；3. 动子绕组；4. 动子永磁体；5. 气隙高度（悬浮高度）6.支撑壳体； 7.长定子支撑体；8.滑道；9.滑块。

具体实施方式：

本实用新型的总体思路是：本实用新型将磁悬浮理论引入到磁通切换型永磁直线同步电机的设计和控制中，从电机本体结构优化与先进控制策略一体化综合分析，得到一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机的设计及控制方法。具体内容以下几条：

（1）磁通切换型磁悬浮永磁直线电机的优化设计

在电机设计时考虑电机永磁磁场产生的引力和电机动子的重力相平衡或者接近平衡，这样就不用或者少用电机电流的励磁分量对磁场进行作用，电机电流就可以全部用来或者大部分用来产生电磁推力，从而提高电机的效率和功率因数。因此，针对本电机确定电机的气隙高度等关键参数，综合考虑电机的机械可靠性、有效材料（主要指永磁体）的利用、电机的电抗参数，还要考虑到电机动子的重力，稳定悬浮所需的法向力（悬浮力）等因素确定电机的气隙高度。

（2）磁通切换型磁悬浮永磁直线电机法向力的控制策略。

借助矢量控制的概念，通过坐标变换，将电机的数学模型变换到按永磁磁场定向的两相旋转坐标系下，实现定子电流励磁分量和推力分量的解耦。分别对电机电流的励磁分量和推力分量进行控制，实现动子稳定悬浮和保证磁通切换型磁悬浮永磁同步电机稳定运行。为了保证电机由于负载变化等引起的动子质量变化时，仍能稳定悬浮，保证电机的正常运行，设计了抑制干扰能力强的H_∞鲁棒控制器。H_∞鲁棒控制算法描述如下：

设系统的观测量等于系统的状态变量，

Figure 2012206433968100002DEST_PATH_IMAGE002

(1)

增广被控对象满足特定条件的前提下，直接基于Riccati不等式的设计方法并只给出H_∞次优设计问题的一个特解（）。

设增广被控对象的状态空间实现为

(2)

则系统的增广被控对象为

(3)

对系统(2)，考虑状态反馈控制器

，

(4)

对于给定的

，存在

使得闭环系统(2)和(4)内部稳定且

(5)

成立的充分必要条件是存在正数正定阵，使得 Riccati不等式

(6)

有正定解

，则使闭环系统稳定，且式(5)成立的反馈阵由式（7）给出

(7)

下面结合附图对本实用新型一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机及其控制方法做进一步详细说明。

图1和图2分别为磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机系统结构示意图和其正视图。图中由两个磁通切换型永磁直线同步电机，一个动子支撑壳体6、一个定子支撑7组成。每个磁通切换型永磁直线同步电机又都由长定子铁心1、动子铁心2、动子绕组3，永磁体4以及动子和定子之间的空隙，即气隙高度5组成。

图中一个定子支撑7支撑着两个相同的两个长定子铁心，一个动子支撑壳体6连接两个相同的磁通切换型永磁同步电机的两个动子。定子支撑体上有滑道8，动子支撑壳体上有滑块9。动子支撑壳体6上安装动子铁心2，动子铁心2里间隔着嵌着N极、S极永磁体4，动子铁心2连同永磁体4外缠绕着动子绕组3。本实用新型通过合理地选择气隙高度5，控制通入两个电机动子绕组3电流的励磁分量id的大小和方向来对永磁体4产生的永磁磁场进行增磁或者弱磁，从而实现对磁场力大小的控制，使其和两个动子连同支撑壳体的重力相等，实现动子在气隙高度5稳定悬浮，然后通过控制通入动子绕组3中电流的电磁推力分量iq使其沿着长定子铁心方向水平稳定运行。

图3给出了其中一个磁通切换型永磁直线同步电机剖面图，从图中可以发现与传统的磁悬浮直线电机需要单独的悬浮绕组不同，该电机只在动子上有一套电机绕组3，并且永磁体4也安装在动子上，定子仅由导磁铁心1组成，在电机设计时确定该电机的关键参数气隙高度5时，从电机本体优化设计角度综合分析电机机械可靠性、有效材料（主要指永磁体）的利用、电机的电抗参数和电机动子的重力，并结合电机电流励磁分量i _d的控制方法实现磁通切换型永磁同步电机的稳定悬浮，消除运行中的摩擦。

图4为磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机控制系统原理图。下面结合图4具体说明其工作过程，图中v为直线电机速度。本实用新型就是根据通过改变磁场大小可以改变磁场力的原理，通过图4中重力加速度传感器测得磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机动子重力变化（主要由负载变化引起），然后根据动子重力大小应与电机法向力相等，确定需要对图1中的永磁体4产生的永磁磁场进行增磁或者弱磁来确定给定电机的励磁电流分量（id），然后通过图中的H_∞控制器实现对电机励磁电流的控制，从而实现对电机法向力的控制，实现电机动子稳定悬浮。即如果动子重力加大，则通过对励磁电流的控制实现对永磁磁场进行增磁，增大电机动子和定子之间的引力，使电机的法向力（悬浮力）和增加后的动子的重力达到一种新的平衡，反之，如果动子重力减小，则通过对励磁电流的控制实现对永磁磁场的弱磁，减弱电机动子和定子之间的引力，使电机的法向力（悬浮力）和减小后的动子的重力达到一种新的平衡，实现电机动子的竖直方向上的稳定悬浮。在实现稳定悬浮的基础上，对电机电流的q轴分量进行控制，实现电机动子沿着长定子方向水平稳定运行。

Claims

1.一种磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于：包括有两个磁通切换型永磁直线同步电机，一个动子支撑壳体（6）、一个定子支撑（7）组成；每个磁通切换型永磁直线同步电机又都由长定子铁心（1）、动子铁心（2）、动子绕组（3），永磁体（4）以及动子和定子之间的空隙，即气隙高度（5）组成；一个定子支撑（7）支撑着两个相同的两个长定子铁心（1），一个动子支撑壳体（6）连接两个相同的磁通切换型永磁同步电机的两个动子；定子支撑体上有滑道（8），动子支撑壳体上有滑块（9）；动子支撑壳体（6）上安装动子铁心（2），动子铁心（2）里间隔着嵌着N极、S极永磁体（4），动子铁心（2）连同永磁体（4）外缠绕着动子绕组（3）。

2、根据权利要求1所述的磁通切换型磁悬浮永磁直线同步电机，其特征在于：该电机由两个磁通切换型永磁直线同步电机组成，每个磁通切换型永磁直线同步电机没有单独的悬浮绕组，仅有一套动子绕组（3）。