模塊化容錯磁通切換永磁直線電機及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了模塊化容錯磁通切換永磁直線電機及其控制方法，其中電機包括初級齒和次級齒，初級和次級齒均采用凸極的結(jié)構(gòu)，初級齒包括永磁體、電樞繞組和容錯式的“Ш”形導(dǎo)磁模塊，“Ш”形導(dǎo)磁模塊包括容錯齒和導(dǎo)磁性鐵心，導(dǎo)磁性鐵心橫向并排放置，導(dǎo)磁性鐵芯內(nèi)設(shè)有容錯齒，永磁體為切向交替充磁，每片永磁體嵌入在兩個相鄰的“Ш”形導(dǎo)磁模塊之間，每相電樞繞組采用集中繞組式，每相電樞繞組置于“Ш”形導(dǎo)磁模塊的槽內(nèi)并橫穿永磁體，每相電樞繞組繞于初級齒上且每相電樞繞組間設(shè)有容錯齒隔開。且提出一種容錯控制策略，包含容錯控制方法和容錯拓撲結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、功率高、成本低和帶故障運行能力強等特點。
【專利說明】模塊化容錯磁通切換永磁直線電機及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種永磁直線電機及其控制方法，特別是一種模塊化容錯磁通切換永磁直線電機及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界城市化進程的加快，交通問題日益成為城市發(fā)展的難題。地鐵、輕軌、有軌電車等城市軌道交通運載工具都獲得了不同程度的應(yīng)用與發(fā)展。其中，牽引電機的研究和發(fā)展成為了軌道交通技術(shù)問題的關(guān)鍵。
[0003]就技術(shù)層面而言，早前，軌道交通運載系統(tǒng)是通過旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，憑借其結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，承載能力大等優(yōu)點長期以來被應(yīng)用于軌道交通，然而其物理黏著性限制了加減速性能，以及存在機械振動噪聲大，車輛結(jié)構(gòu)輕量化和小型化相對困難等缺點，催促著新的技術(shù)模式的產(chǎn)生，隨后直線電機運載系統(tǒng)走上了歷史舞臺。隨著永磁材料性能的不斷提高和永磁直線電機設(shè)計制造技術(shù)的不斷完善，永磁直線電機以其高性能、高穩(wěn)定性、低噪音和高效率等特點在工業(yè)自動化和軌道交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。初級永磁型直線電機是一類新型永磁無刷直線電機，其結(jié)構(gòu)特點是永磁體和電樞繞組都安置在初級動子上，次級結(jié)構(gòu)簡單，僅由導(dǎo)磁鐵心組成，集成了直線感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低與永磁直線同步電機功率密度高的優(yōu)點，特別適用于長定子應(yīng)用場合。
[0004]眾所周知，電動機是能量轉(zhuǎn)換與動能傳遞的直接執(zhí)行者，起著設(shè)備心臟的作用，無論是在工業(yè)發(fā)達的今天還是將來，其作用亦非常重要，因此電機及驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性已被諸多專家學(xué)者提出和重視。電動機的運行事故是當(dāng)前發(fā)展電力工業(yè)方面存在的重要問題之一，給各國的國民經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大的損失。
[0005]目前關(guān)于在故障下，增強初級永磁型直線電機可靠性的方法主要集中在對電機本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計上。比如對初級整合模塊化結(jié)構(gòu)，交替磁極繞組，加冗余繞組等等，但是由于對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法通常受到不同類型電機結(jié)構(gòu)的制約，使得本體的容錯性能受到限制，因此要提高系統(tǒng)的可靠性，在對電機本體結(jié)構(gòu)運用冗余技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究的重點應(yīng)集中于電機本體以外的故障源，通過開發(fā)高可靠性驅(qū)動電路的拓撲結(jié)構(gòu)、智能控制方法等幾個方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，結(jié)合初級永磁型直線電機的基本特性，在初級永磁型直線電機的某相繞組或某相功率器件發(fā)生故障時，通過控制其他相的電流來保持總的行波磁動勢不變，達到正常運作時推力特性，提高系統(tǒng)帶故障運行能力，總行波磁動勢在故障下保持和正常運作下一致，簡單方便且低成本的模塊化容錯磁通切換永磁直線電機及其控制方法。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:模塊化容錯磁通切換永磁直線電機，包括初級齒和次級齒，所述的初級和次級齒均采用凸極的結(jié)構(gòu)，所述的初級齒包括八片永磁體、電樞繞組和七個容錯式的“m”形導(dǎo)磁模塊，所述的“m”形導(dǎo)磁模塊包括容錯齒和導(dǎo)磁性鐵心，所述的導(dǎo)磁性鐵心橫向并排放置，所述的導(dǎo)磁性鐵芯內(nèi)設(shè)有容錯齒，所述的永磁體為切向交替充磁，所述的每片永磁體嵌入在兩個相鄰的“ΠΙ”形導(dǎo)磁模塊之間，所述的每相電樞繞組采用集中繞組式，所述的每相電樞繞組置于“ΠΙ”形導(dǎo)磁模塊的槽內(nèi)并橫穿永磁體，所述的每相電樞繞組繞于初級齒上且每相電樞繞組間設(shè)有容錯齒隔開，所述的次級齒僅由導(dǎo)磁型鋼軌組成，所述的次級齒共有Ii個齒。
[0008]模塊化容錯磁通切換永磁直線電機控制方法,步驟包括:
[0009]I)利用電流霍爾傳感器檢測三相電樞繞組的電流，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換把三相電樞繞組的電流信號輸送到數(shù)字信號處理器中，之后執(zhí)行步驟2)；
[0010]2)設(shè)I表示檢測到的其中一相電樞繞組實際電流幅值，Im表示電機正常運行時其中一相電樞繞組所要加的電流幅值，Im=F τ /3 Ψ，F(xiàn)為預(yù)設(shè)電機推力值，τ為電機極距值，Ψ為電機永磁磁鏈幅值，當(dāng)檢測I=Im時，即電機為正常運行工況，則執(zhí)行步驟I);否則電機為非正常運行工況，執(zhí)行步驟3)；
[0011]3)數(shù)字信號處理器發(fā)出信號指令去控制容錯拓撲電路中功率開關(guān)元件和雙向晶閘管的導(dǎo)通，之后執(zhí)行步驟4);
[0012]4)數(shù)字信號處理器調(diào)整無故障的另兩相電樞繞組電流的幅值為正常運行時電樞繞組電流幅值的1.73倍，即1.731m，調(diào)整無故障的另兩相電樞繞組相位分別滯后和超前原來的相位30°，維持電機帶故障運行，本方法結(jié)束。
[0013]步驟3)中所述的容錯拓撲電路包括一個三相橋式功率變換器，二個母線電容，三個雙向晶閘管、一個接電機地線的雙向晶閘管，三個快反應(yīng)斷路器，所述的快反應(yīng)斷路器一端與三相橋式功率變換器中上橋功率變換器件的發(fā)射極相連，所述的快反應(yīng)斷路器的另一端分別與雙向晶閘管的一端、電機的其中一相電樞繞組端相連，所述的雙向晶閘管的另一端連接在兩個被串聯(lián)的母線電容間，所述的接電機地線的雙向晶閘管的一端連接有電機的地線，所述的接電機地線的雙向晶閘管的另一端連接在兩個母線電容間，步驟2)中當(dāng)I=Im時電機為正常運行工況，四個雙向晶閘管均處于斷開狀態(tài)；當(dāng)檢測到I〈Im，即其中一相電樞繞組為開路故障時，數(shù)字信號處理器發(fā)出指令觸發(fā)雙向晶閘管被導(dǎo)通，同時調(diào)整三相橋式功率變換器中各功率開關(guān)元件的導(dǎo)通，本方法結(jié)束；當(dāng)檢測到I>Im，即三相橋式功率變換器中其中一相功率開關(guān)元件短路故障時，數(shù)字信號處理器斷開故障開關(guān)的驅(qū)動信號，以防止橋臂直通而短路，然后觸發(fā)該相連接的雙向晶閘管導(dǎo)通，使得母線電容、雙向晶閘管、快反應(yīng)斷路器、短路功率開關(guān)形成一個回路，存儲在母線電容中的能量觸發(fā)快反應(yīng)斷路器斷開，短路的功率開關(guān)從逆變器中隔離，同時調(diào)整三相橋式功率變換器中各功率開關(guān)元件的導(dǎo)通，本方法結(jié)束。
[0014]采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下有益效果:模塊化容錯式磁通切換永磁直線電機具有結(jié)構(gòu)簡單、功率高、成本低和帶故障運行能力強等特點，可用于城軌交通、礦井等領(lǐng)域。
[0015]1.電樞繞組和永磁體被放置初級上，比較容易進行冷卻設(shè)計，具有同時移動，高可靠性等特點；
[0016]2.容錯式的山型模塊組合的初級鐵芯加工簡單，易安裝同時增強了電機本身的容錯性；[0017]3.電樞繞組為集中繞組和容錯式的山型模塊初級鐵芯，使其電路和磁路獨立性好。在故障下，非故障相工況不會受影響，具有較高的帶故障運行能力，滿足了容錯電機基本特點；
[0018]4.本發(fā)明在廣泛使用的電流滯環(huán)矢量控制驅(qū)動系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將容錯控制策略應(yīng)用到模塊化容錯式磁通切換永磁直線電機中，控制簡捷可靠。
[0019]5.本發(fā)明從控制策略出發(fā)，利用所述的容錯控制算法和容錯拓撲結(jié)構(gòu)搭建模塊化容錯式磁通切換永磁直線電機的故障工況下的容錯控制。
[0020]6.當(dāng)電機正常運作時，采用電流滯環(huán)PWM控制，容錯拓撲結(jié)構(gòu)執(zhí)行逆變器的功能，簡單可靠，推力大等優(yōu)點。
[0021]7.當(dāng)電機故障運作時，電機被切換到容錯控制下運行，保持電機輸出推力不變，同時容錯拓撲結(jié)構(gòu)啟動保護功能，增強電機的帶故障運行能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明模塊化容錯磁通切換永磁直線電機結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為A相故障前的行波磁場示意圖。
[0024]圖3為A相故障后的電流矢量圖。
[0025]圖4為模塊化容錯磁通切換永磁直線電機容錯控制系統(tǒng)總框圖。
[0026]圖5為模塊化容錯磁通切換永磁直線電機控制流程圖。
[0027]圖6為容錯式拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖7為A相開路后容錯拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖8為電機正常、故障和容錯時電流波形圖。
[0030]圖9為電機正常、故障和容錯時電機速度波形圖。
[0031]圖10為電機正常、故障和容錯時dq軸坐標(biāo)下的電流波形圖。
[0032]圖11為電機正常、故障和容錯時推力波形圖。
[0033]圖中:1、初級齒2、次級齒3、永磁體4、容錯齒5、電樞繞組6、“山”形導(dǎo)磁模塊。
【具體實施方式】
[0034]下面根據(jù)說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的解釋。
[0035]如圖1所示，模塊化容錯磁通切換永磁直線電機，包括初級齒I和次級齒2，所述的初級和次級齒2均采用凸極的結(jié)構(gòu)，所述的初級齒I包括八片永磁體3、電樞繞組5和七個容錯式的“山”形導(dǎo)磁模塊6，所述的“山”形導(dǎo)磁模塊6包括容錯齒4和導(dǎo)磁性鐵心，所述的導(dǎo)磁性鐵心橫向并排放置，所述的導(dǎo)磁性鐵芯內(nèi)設(shè)有容錯齒4，所述的永磁體3為切向交替充磁，所述的每片永磁體3嵌入在兩個相鄰的“山”形導(dǎo)磁模塊6之間，所述的每相電樞繞組5采用集中繞組式，所述的每相電樞繞組5置于“山”形導(dǎo)磁模塊6的槽內(nèi)并橫穿永磁體3，所述的每相電樞繞組5繞于初級齒I上且每相電樞繞組5間設(shè)有容錯齒4隔開，每當(dāng)移動一個次級極距時，磁鏈會有一周期的變化，運用集中繞組和容錯式的山型模塊初級鐵芯使其各相磁路獨立性好。所述的次級齒2僅由導(dǎo)磁型鋼軌組成，所述的次級齒2共有11個齒。次級齒2移動時，A相繞組匝鏈的永磁磁鏈最大正向值的位值點定義為d軸，A相繞組匝鏈的永磁磁鏈為零的位值點定義為q軸。
[0036]如圖2所示，a、b、c三相產(chǎn)生的行波磁場示意圖，此時的三相正弦電流表示為:
【權(quán)利要求】
1.模塊化容錯磁通切換永磁直線電機，包括初級齒和次級齒，其特征在于所述的初級和次級齒均采用凸極的結(jié)構(gòu)，所述的初級齒包括八片永磁體、電樞繞組和七個容錯式的“m”形導(dǎo)磁模塊，所述的“m”形導(dǎo)磁模塊包括容錯齒和導(dǎo)磁性鐵心，所述的導(dǎo)磁性鐵心橫向并排放置，所述的導(dǎo)磁性鐵芯內(nèi)設(shè)有容錯齒，所述的永磁體為切向交替充磁，所述的每片永磁體嵌入在兩個相鄰的“m”形導(dǎo)磁模塊之間，所述的每相電樞繞組采用集中繞組式，所述的每相電樞繞組置于“πι”形導(dǎo)磁模塊的槽內(nèi)并橫穿永磁體，所述的每相電樞繞組繞于初級齒上且每相電樞繞組間設(shè)有容錯齒隔開，所述的次級齒僅由導(dǎo)磁型鋼軌組成，所述的次級齒共有Ii個齒。
2.模塊化容錯磁通切換永磁直線電機控制方法，其特征在于步驟包括: 1)利用電流霍爾傳感器檢測三相電樞繞組的電流,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換把三相電樞繞組的電流信號輸送到數(shù)字信號處理器中，之后執(zhí)行步驟2)； 2)設(shè)I表示檢測到的其中一相電樞繞組實際電流幅值，Im表示電機正常運行時其中一相電樞繞組所要加的電流幅值，Ihi=Ft/3 Ψ，F(xiàn)為預(yù)設(shè)電機推力值，τ為電機極距值，Ψ為電機永磁磁鏈幅值，當(dāng)檢測I=Im時，即電機為正常運行工況，則執(zhí)行步驟I);否則電機為非正常運行工況，執(zhí)行步驟3)； 3)數(shù)字信號處理器發(fā)出信號指令去控制容錯拓撲電路中功率開關(guān)元件和雙向晶閘管的導(dǎo)通，之后執(zhí)行步驟4); 4)數(shù)字信號處理器調(diào)整無故障的另兩相電樞繞組電流的幅值為正常運行時電樞繞組電流幅值的1.73倍，即1.731m，調(diào)整無故障的另兩相電樞繞組相位分別滯后和超前原來的相位30°，維持電機帶故障運行，本方法結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化容錯磁通切換永磁直線電機控制方法，其特征在于步驟3)中所述的容錯拓撲電路包括一個三相橋式功率變換器，二個母線電容，三個雙向晶閘管、一個接電機地線的雙向晶閘管，三個快反應(yīng)斷路器，所述的快反應(yīng)斷路器一端與三相橋式功率變換器中上橋功率變換器件的發(fā)射極相連，所述的快反應(yīng)斷路器的另一端分別與雙向晶閘管的一端、電機的其中一相電樞繞組端相連，所述的雙向晶閘管的另一端連接在兩個被串聯(lián)的母線電容間，所述的接電機地線的雙向晶閘管的一端連接有電機的地線，所述的接電機地線的雙向晶閘管的另一端連接在兩個母線電容間，步驟2)中當(dāng)I=Im時電機為正常運行工況，四個雙向晶閘管均處于斷開狀態(tài)；當(dāng)檢測到I〈Im，即其中一相電樞繞組為開路故障時，數(shù)字信號處理器發(fā)出指令觸發(fā)雙向晶閘管被導(dǎo)通，同時調(diào)整三相橋式功率變換器中各功率開關(guān)元件的導(dǎo)通，本方法結(jié)束；當(dāng)檢測到I>Im，即三相橋式功率變換器中其中一相功率開關(guān)元件短路故障時，數(shù)字信號處理器斷開故障開關(guān)的驅(qū)動信號，以防止橋臂直通而短路，然后觸發(fā)該相連接的雙向晶閘管導(dǎo)通，使得母線電容、雙向晶閘管、快反應(yīng)斷路器、短路功率開關(guān)形成一個回路，存儲在母線電容中的能量觸發(fā)快反應(yīng)斷路器斷開，短路的功率開關(guān)從逆變器中隔離，同時調(diào)整三相橋式功率變換器中各功率開關(guān)元件的導(dǎo)通，本方法結(jié)束。
【文檔編號】H02P21/00GK103441640SQ201310382439
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】趙文祥, 劉虎, 吉敬華, 徐亮, 劉國海 申請人:江蘇大學(xué)