專利名稱：：雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電工、電機(jī)、控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，特指一種新型定子永磁式容錯(cuò)電機(jī)及其控制方法，適用于對系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行有嚴(yán)格要求的高可靠性領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著電機(jī)在軍事、工業(yè)、民用等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性問題得到了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者越來越廣泛的關(guān)注，特別是在航空航天、軍事裝備、礦井軋鋼等對連續(xù)操作有較高要求的場合，可靠性顯得尤為重要。這些應(yīng)用領(lǐng)域要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較高的可靠性和較強(qiáng)的容錯(cuò)運(yùn)行能力。就技術(shù)層面而言，提高系統(tǒng)的可靠性途徑主要可以分為冗余和容錯(cuò)這兩種方法。在電機(jī)本體方面，雙繞組的冗余式結(jié)構(gòu)雖然提高了電機(jī)的可靠性，但由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并未得到廣泛的采用。因此，容錯(cuò)式的電機(jī)本體結(jié)構(gòu)就成為研究的焦點(diǎn)。開關(guān)磁阻電機(jī)采用雙凸極結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、相與相之間電路和磁路獨(dú)立性較好等特點(diǎn)，因此容錯(cuò)性能較好?？紤]到永磁電機(jī)無勵(lì)磁損耗、效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，將容錯(cuò)概念引入到永磁電機(jī)，研究開發(fā)出集高功率密度和高容錯(cuò)性能于一體的新型容錯(cuò)永磁電機(jī)，就成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)是目前研究較為成熟的永磁電機(jī)，在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了定子采用集中繞組的永磁容錯(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果表明該種電機(jī)的容錯(cuò)性能較好，且具有功率密度高、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于其永磁體安裝在轉(zhuǎn)子表面，當(dāng)電機(jī)處于高速旋轉(zhuǎn)發(fā)熱時(shí)，因其冷卻較為困難而易出現(xiàn)故障，導(dǎo)致電機(jī)的可靠度下降，故其在高可靠性領(lǐng)域(其主要應(yīng)用背景)的應(yīng)用受到了很大限制。綜上，這兩種當(dāng)前學(xué)術(shù)界較為關(guān)注的容錯(cuò)電機(jī)，在具備較高容錯(cuò)性能的同時(shí)，分別在功率密度和可靠度方面存在弊端。因此，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，研究出新型結(jié)構(gòu)的高可靠性和高功率密度的永磁容錯(cuò)電機(jī)成為了當(dāng)前學(xué)術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問題。定子永磁型電機(jī)的研究始于上世紀(jì)九十年代中期，發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了多種電機(jī)結(jié)構(gòu)，如雙凸極永磁電機(jī)、磁通反向電機(jī)以及磁通切換永磁電機(jī)等。該類電機(jī)的出現(xiàn)，為新型定子永磁式容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明為了提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，結(jié)合定子永磁型電機(jī)的基本特性，提出了一種新型繞組結(jié)構(gòu)的雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)。在此基礎(chǔ)上，針對故障狀態(tài)下雙通道繞組互補(bǔ)性被破壞的問題，建立了該種電機(jī)的智能容錯(cuò)控制策略。雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)具有高度正弦的空載反電動(dòng)勢、較強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和較大的功率密度，故障狀態(tài)下具有很好的電磁特性，特別適合于對系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行有較高要求的高可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用。技術(shù)方案本發(fā)明是在傳統(tǒng)的磁通切換永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過采用不同的繞組連接方式，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的冗余運(yùn)行，具有較高的帶故障運(yùn)行能力和容錯(cuò)控制可行性。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，磁通切換永磁電機(jī)每相繞組的兩個(gè)通道具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，從而使得該相反電勢接近正弦，因此可以采用三相正弦電流來控制。但是，當(dāng)電機(jī)發(fā)生繞組斷路故障時(shí)，其繞組互補(bǔ)性被破壞，使得故障相反電勢諧波增加。針對此問題，本發(fā)明提出的容錯(cuò)控制策略，通過調(diào)整非故障相繞組電流的相位和幅值的方法，在不具備繞組互補(bǔ)性的情況下，實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)控制，降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了故障狀態(tài)下電機(jī)性能。該定子永磁型容錯(cuò)電機(jī)尤其適用于一些可靠性要求較高，如航空航天、軍事領(lǐng)域、礦井軋鋼等要求連續(xù)操作的領(lǐng)域。本發(fā)明的雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)采用雙通道繞組、雙凸極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由硅鋼片疊壓而成，共10個(gè)齒；定子由12個(gè)"U"形導(dǎo)磁鐵心組成，每兩個(gè)"U"形導(dǎo)磁鐵心中間分別嵌入1片切向交替充磁的永磁體；定子繞組采用雙通道冗余結(jié)構(gòu)定子極上徑向相對的兩個(gè)線圈串連成一相繞組的一個(gè)通道，每相繞組由兩個(gè)通道組成，該電機(jī)共有三相六套繞組，運(yùn)行時(shí)對每一套繞組采用獨(dú)立控制的方式。本發(fā)明的雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)的控制方法為當(dāng)A相第一繞組發(fā)生斷路故障時(shí)，則此時(shí)的A相第一繞組與A相第二繞組之間的互補(bǔ)性原則被破壞，A相反電勢不再為近似正弦，且正負(fù)不對稱，此時(shí)，通過容錯(cuò)控制策略的引入，調(diào)整B1繞組和C1繞組的相位以及幅值，補(bǔ)償A相第一繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場分量，保持電機(jī)內(nèi)的磁場平衡，使得電機(jī)在故障狀態(tài)下仍可以提高運(yùn)行特性，保證該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備較高的可靠性，容錯(cuò)控制策略具體實(shí)現(xiàn)步驟分為五步1.)將Bl繞組電流在相位上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)提前30度電角度；2.)將B1繞組電流在幅值上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)增大V^倍；3.)將C1繞組電流在相位上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)滯后30度電角度；4.)將C1繞組電流在相位上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)增大VJ倍；5.)繞組A2、B2禾卩C2的電流，保持不變。這里僅以Al繞組發(fā)生斷路故障為例，對容錯(cuò)控制策略進(jìn)行說明；若為其他繞組發(fā)生故障，也采用與此相仿的方法。有益效果雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)具有高可靠性、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，可用于對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行有較高要求的領(lǐng)域，特別是對連續(xù)運(yùn)行有嚴(yán)格要求的航空航天、軍事裝備等應(yīng)用場合。1、轉(zhuǎn)子采用簡單的凸極結(jié)構(gòu)，無繞組、無電刷、無永磁，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適用包括高速運(yùn)轉(zhuǎn)、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高可靠性的場合；2、電樞繞組為集中式繞組，端部短，銅耗低，制作嵌線方便；3、雙通道獨(dú)立控制的集中式繞組結(jié)構(gòu)，使其電路和磁路獨(dú)立性好。在故障狀態(tài)下，非故障相的運(yùn)行不會受到影響，具有較強(qiáng)的帶故障運(yùn)行能力，滿足容錯(cuò)電機(jī)的基本特點(diǎn)要求；4、本發(fā)明集開關(guān)磁阻電機(jī)和轉(zhuǎn)子永磁型容錯(cuò)電機(jī)這兩種主要容錯(cuò)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身定轉(zhuǎn)子采用雙凸極結(jié)構(gòu)，永磁體置于定子上，比較容易進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)，具有高可靠性、高功率密度、高效率的優(yōu)點(diǎn)；5、正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)通道的繞組疊加而成一相，其反電勢之和近似正弦，因此繞組可以通正弦交流電，應(yīng)用矢量控制思想，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小；6、相比較于傳統(tǒng)的磁通切換永磁電機(jī)，本發(fā)明采用雙通道繞組獨(dú)立控制，斷路故障狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出性能大為提高；7、本發(fā)明提出的容錯(cuò)控制策略，使得缺相故障狀態(tài)下的雙通道磁通切換永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性接近于正常運(yùn)行狀態(tài)。本發(fā)明采用雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)；此外，置于定子的永磁體易于冷卻，不易發(fā)生高溫退磁。因此，具有高可靠性、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。采用雙通道繞組的容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)可以在不減少電機(jī)輸出功率、不增加電機(jī)制作難度的情況下，運(yùn)用冗余技術(shù)(工作冗余)，提高電機(jī)的帶故障運(yùn)行能力。通過容錯(cuò)控制策略的引入，對缺相定子的繞組采取"磁場重構(gòu)"的形式，解決了因缺相造成的磁通切換永磁電機(jī)繞組互補(bǔ)性被破壞，從而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加的問題，進(jìn)一步提高其故障狀態(tài)下的電磁性能，該方法易于實(shí)現(xiàn)。圖1是定子12極、轉(zhuǎn)子10極的雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)圖；圖2是A相兩個(gè)通道(Al、A2)以及二者合成后的反電勢波形圖；圖3是正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)繞組電流波形圖；圖4是正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形圖；圖5是缺相故障時(shí)傳統(tǒng)的磁通切換永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波形圖；圖6是缺相故障時(shí)雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波形圖；圖7是Al繞組發(fā)生斷路故障、采用容錯(cuò)控制策略時(shí)繞組電流波形圖；圖8是采用容錯(cuò)控制策略時(shí)雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波形圖。以上的圖中有定子l、轉(zhuǎn)子2、永磁體3、電樞繞組4、A相第一通道5、A相第二通道6、A相第一繞組A1、A相第二繞組A2。具體實(shí)施方式本發(fā)明的雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子均采用雙凸極的結(jié)構(gòu)。圖1所示為定子12極、轉(zhuǎn)子10極的雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)。其定子由定子鐵心和永磁體組成，永磁體沿圓周夾在定子齒鐵心中間，鐵心和永磁體與機(jī)座采用過盈配合，以保證鐵心和永磁體的位置固定。轉(zhuǎn)子上既沒有繞組也沒有永磁體，定轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊壓而成，繞有繞組的永磁體和電樞齒組合成一個(gè)整體，永磁體沿著圓周切向交替磁化。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于將傳統(tǒng)的磁通切換永磁電機(jī)一相繞組的四個(gè)定子齒分開考慮，將徑向相對的兩個(gè)定子極分為一組，即定子繞組的每一相都分為兩組:Pl和P2(P=A，B，C)，并進(jìn)行獨(dú)立控制。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由于相繞組的反電勢正弦性很好，諧波少，因此同一相的兩個(gè)通道均通入相同的繞組電流。當(dāng)電機(jī)發(fā)生斷路故障時(shí)，即使不采取容錯(cuò)控制策略，電機(jī)仍能保持較高的運(yùn)行特性。為提高故障狀態(tài)下電機(jī)的電磁性能，滿足一些實(shí)際應(yīng)用工況場合的性能要求，本發(fā)明提出了相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略。如Al繞組發(fā)生斷路故障時(shí)，則此時(shí)繞組Al和A2的互補(bǔ)性原則被破壞，A相反電勢諧波較大，不再為近似正弦且正負(fù)不對稱。此時(shí)，通過容錯(cuò)控制策略的引入，調(diào)整B1禾BC1的相位以及幅值，補(bǔ)償Al相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場分量，保持電機(jī)內(nèi)的磁場平衡，使得電機(jī)在故障狀態(tài)下仍可以提高運(yùn)行特性，保證該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備較高的可靠性。具體實(shí)現(xiàn)步驟分為五步-1、將Bl繞組電流在相位上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)提前30度電角度；2、將B1繞組電流在幅值上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)增大VI倍；3、將Cl繞組電流在相位上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)滯后30度電角度；4、將Cl繞組電流在相位上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)增大V^倍；5、另外一個(gè)通道的繞組A2、B2和C2的電流保持不變。以一臺12/10極雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)為例，其截面圖如附圖1所示。本發(fā)明的雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)由定子l、轉(zhuǎn)子2以及固定在定子1上的永磁體3和電樞繞組4所組成。其中，定子l的內(nèi)圓周上均布定子凸極，永磁體3對稱分布于定子1。定子由12個(gè)"U"型定子鐵心1和8個(gè)永磁體3組合而成。"U"形定子鐵心1和轉(zhuǎn)子鐵心2分別用厚度為0.37mm的硅鋼片按圖5所示的形狀和圖4所示的轉(zhuǎn)子2形狀沖成沖片，用足夠的沖片疊壓成定子鐵心1和轉(zhuǎn)子鐵心2。定子電樞繞組4為集中繞組，每個(gè)線圈繞組橫跨在兩個(gè)定子齒上，中間嵌有一塊永磁體3。12個(gè)線圈共分成了六套繞組，徑向相對的兩極繞組2相串聯(lián)構(gòu)成一相的一個(gè)通道，相互垂直的兩個(gè)通道組成一相，例如圖中的A1、A2是A相的兩個(gè)通道，以此類推。轉(zhuǎn)子2有10個(gè)齒，稱為10極，對于定子永磁型電機(jī)而言，其轉(zhuǎn)子極數(shù)決定了轉(zhuǎn)子周期。定轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心部分都采用了國內(nèi)常用的D23材料沖片壓疊而成。以下是一臺額定功率為2KW雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，永磁體3采用稀土釹鐵硼，永磁體切向充磁。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>在空載情況下，雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)運(yùn)行于1000轉(zhuǎn)/分時(shí)的一相反電勢如圖2所示。由圖可見，組成一相繞組(A相)的兩個(gè)通道(繞組Al、A2)的反電勢在正負(fù)半周幅值差異較大，而二者反電勢之和則正弦性較好。在一相繞組的兩個(gè)通道同時(shí)工作情況下，二者具有互補(bǔ)性，則由此相產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩不會出現(xiàn)較大的脈動(dòng)。在正常運(yùn)行狀態(tài)，雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)每一相繞組的兩個(gè)通道所通電流相位和幅值相同，A、B、C三相互差120度，如圖3所示。此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出見圖4，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要由永磁電機(jī)固有的定位轉(zhuǎn)矩所造成。當(dāng)電機(jī)發(fā)生開路故障時(shí)，其轉(zhuǎn)矩如圖5和圖6所示。圖5為傳統(tǒng)繞組結(jié)構(gòu)的磁通切換永磁電機(jī)缺相故障時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出波形，圖6為本發(fā)明提出的雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)缺相故障時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出波形。對比二者可以發(fā)現(xiàn)，即使不采用任何容錯(cuò)補(bǔ)償策略，雙通道磁通切換永磁電機(jī)的帶故障運(yùn)行能力也是較為出色的，沒有轉(zhuǎn)矩死區(qū)。當(dāng)采用本發(fā)明提出的容錯(cuò)控制策略時(shí)，以Al繞組發(fā)生斷路故障為例，對非故障相的繞組的電流和幅值加以調(diào)整，如圖7所示。圖8為容錯(cuò)控制下電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出，對比于圖4可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩接近于正常運(yùn)行狀態(tài)，該電機(jī)系統(tǒng)具有良好的容錯(cuò)性能。權(quán)利要求1、一種雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)，其特征在于該電機(jī)采用雙通道繞組、雙凸極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子(2)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由硅鋼片疊壓而成，共10個(gè)齒；定子(1)由12個(gè)“U”形導(dǎo)磁鐵心組成，每兩個(gè)“U”形導(dǎo)磁鐵心中間分別嵌入1片切向交替充磁的永磁體(3)；定子(1)繞組采用雙通道冗余結(jié)構(gòu)定子極上徑向相對的兩個(gè)線圈串連成一相繞組的一個(gè)通道，每相繞組由兩個(gè)通道組成，該電機(jī)共有三相六套繞組，運(yùn)行時(shí)對每一套繞組采用獨(dú)立控制的方式。2、一種如權(quán)利要求1所述的雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)的控制方法，其特征在于當(dāng)A相第一繞組(Al)發(fā)生斷路故障時(shí)，則此時(shí)的A相第一繞組(Al)與A相第二繞組(A2)之間的互補(bǔ)性原則被破壞，A相反電勢不再為近似正弦，且正負(fù)不對稱，此時(shí)，通過容錯(cuò)控制策略的引入，調(diào)整B1繞組和C1繞組的相位以及幅值，補(bǔ)償A相第一繞組(Al)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場分量，保持電機(jī)內(nèi)的磁場平衡，使得電機(jī)在故障狀態(tài)下仍可以提高運(yùn)行特性，保證該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備較高的可靠性，容錯(cuò)控制策略具體實(shí)現(xiàn)步驟分為五步1.)將B1繞組電流在相位上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)提前30度電角度；2.)將B1繞組電流在幅值上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)增大V^倍；3.)將C1繞組電流在相位上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)滯后30度電角度；4.)將C1繞組電流在相位上比系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)增大V^倍；5.)繞組A2、B2和C2的電流，保持不變。若為其他繞組發(fā)生故障，也采用與此相仿的方法。全文摘要雙通道容錯(cuò)式磁通切換永磁電機(jī)是一種新型定子永磁式容錯(cuò)電機(jī)，該容錯(cuò)電機(jī)采用雙凸極結(jié)構(gòu)，定子(1)的內(nèi)圓周上均布定子凸極，永磁體(3)在定子圓周成對布置，易于冷卻；轉(zhuǎn)子(2)采用凸極結(jié)構(gòu)，既無繞組也無永磁體，結(jié)構(gòu)簡單。該種容錯(cuò)電機(jī)集開關(guān)磁阻電機(jī)和轉(zhuǎn)子永磁型容錯(cuò)電機(jī)這兩種主要的容錯(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有高可靠性、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，其帶故障運(yùn)行能力較為出色。為進(jìn)一步提高斷路故障狀態(tài)下的電機(jī)性能，本發(fā)明設(shè)計(jì)了容錯(cuò)控制策略，通過調(diào)整非故障相電流的相位和幅值，使得電機(jī)在故障狀態(tài)下的電磁性能大為提高，可接近于正常運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩輸出，具有很高的理論和實(shí)用價(jià)值。文檔編號H02K1/24GK101159391SQ200710132578公開日2008年4月9日申請日期2007年9月21日優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日發(fā)明者朱孝勇,明程,為花,趙文祥申請人:東南大學(xué)