模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)及其控制方法，其中電機(jī)包括初級(jí)齒和次級(jí)齒，初級(jí)和次級(jí)齒均采用凸極的結(jié)構(gòu)，初級(jí)齒包括永磁體、電樞繞組和容錯(cuò)式的“Ш”形導(dǎo)磁模塊，“Ш”形導(dǎo)磁模塊包括容錯(cuò)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(cuò)齒，永磁體為切向交替充磁，每片永磁體嵌入在兩個(gè)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(jí)齒上且每相電樞繞組間設(shè)有容錯(cuò)齒隔開。且提出一種容錯(cuò)控制策略，包含容錯(cuò)控制方法和容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率高、成本低和帶故障運(yùn)行能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
【專利說明】模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)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(jī)及其控制方法，特別是一種模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界城市化進(jìn)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(yùn)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(jī)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(yùn)載系統(tǒng)是通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，承載能力大等優(yōu)點(diǎn)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(jī)械振動(dòng)噪聲大，車輛結(jié)構(gòu)輕量化和小型化相對(duì)困難等缺點(diǎn)，催促著新的技術(shù)模式的產(chǎn)生，隨后直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)走上了歷史舞臺(tái)。隨著永磁材料性能的不斷提高和永磁直線電機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷完善，永磁直線電機(jī)以其高性能、高穩(wěn)定性、低噪音和高效率等特點(diǎn)在工業(yè)自動(dòng)化和軌道交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。初級(jí)永磁型直線電機(jī)是一類新型永磁無刷直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是永磁體和電樞繞組都安置在初級(jí)動(dòng)子上，次級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由導(dǎo)磁鐵心組成，集成了直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低與永磁直線同步電機(jī)功率密度高的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于長定子應(yīng)用場(chǎng)合。
[0004]眾所周知，電動(dòng)機(jī)是能量轉(zhuǎn)換與動(dòng)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(dá)的今天還是將來，其作用亦非常重要，因此電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性已被諸多專家學(xué)者提出和重視。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(jì)發(fā)展帶來了巨大的損失。
[0005]目前關(guān)于在故障下，增強(qiáng)初級(jí)永磁型直線電機(jī)可靠性的方法主要集中在對(duì)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。比如對(duì)初級(jí)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(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法通常受到不同類型電機(jī)結(jié)構(gòu)的制約，使得本體的容錯(cuò)性能受到限制，因此要提高系統(tǒng)的可靠性，在對(duì)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)運(yùn)用冗余技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究的重點(diǎn)應(yīng)集中于電機(jī)本體以外的故障源，通過開發(fā)高可靠性驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、智能控制方法等幾個(gè)方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，結(jié)合初級(jí)永磁型直線電機(jī)的基本特性，在初級(jí)永磁型直線電機(jī)的某相繞組或某相功率器件發(fā)生故障時(shí)，通過控制其他相的電流來保持總的行波磁動(dòng)勢(shì)不變，達(dá)到正常運(yùn)作時(shí)推力特性，提高系統(tǒng)帶故障運(yùn)行能力，總行波磁動(dòng)勢(shì)在故障下保持和正常運(yùn)作下一致，簡(jiǎn)單方便且低成本的模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)及其控制方法。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)，包括初級(jí)齒和次級(jí)齒，所述的初級(jí)和次級(jí)齒均采用凸極的結(jié)構(gòu)，所述的初級(jí)齒包括八片永磁體、電樞繞組和七個(gè)容錯(cuò)式的“m”形導(dǎo)磁模塊，所述的“m”形導(dǎo)磁模塊包括容錯(cuò)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(cuò)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(gè)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(jí)齒上且每相電樞繞組間設(shè)有容錯(cuò)齒隔開，所述的次級(jí)齒僅由導(dǎo)磁型鋼軌組成，所述的次級(jí)齒共有Ii個(gè)齒。
[0008]模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)控制方法,步驟包括:
[0009]I)利用電流霍爾傳感器檢測(cè)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(hào)輸送到數(shù)字信號(hào)處理器中，之后執(zhí)行步驟2)；
[0010]2)設(shè)I表示檢測(cè)到的其中一相電樞繞組實(shí)際電流幅值，Im表示電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)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(jī)推力值，τ為電機(jī)極距值，Ψ為電機(jī)永磁磁鏈幅值，當(dāng)檢測(cè)I=Im時(shí)，即電機(jī)為正常運(yùn)行工況，則執(zhí)行步驟I);否則電機(jī)為非正常運(yùn)行工況，執(zhí)行步驟3)；
[0011]3)數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)出信號(hào)指令去控制容錯(cuò)拓?fù)潆娐分泄β书_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(hào)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(yùn)行時(shí)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(jī)帶故障運(yùn)行，本方法結(jié)束。
[0013]步驟3)中所述的容錯(cuò)拓?fù)潆娐钒ㄒ粋€(gè)三相橋式功率變換器，二個(gè)母線電容，三個(gè)雙向晶閘管、一個(gè)接電機(jī)地線的雙向晶閘管，三個(gè)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(jī)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(gè)被串聯(lián)的母線電容間，所述的接電機(jī)地線的雙向晶閘管的一端連接有電機(jī)的地線，所述的接電機(jī)地線的雙向晶閘管的另一端連接在兩個(gè)母線電容間，步驟2)中當(dāng)I=Im時(shí)電機(jī)為正常運(yùn)行工況，四個(gè)雙向晶閘管均處于斷開狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到I〈Im，即其中一相電樞繞組為開路故障時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)出指令觸發(fā)雙向晶閘管被導(dǎo)通，同時(shí)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(cè)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(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器斷開故障開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(gè)回路，存儲(chǔ)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(shí)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(cuò)式磁通切換永磁直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率高、成本低和帶故障運(yùn)行能力強(qiáng)等特點(diǎn)，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(jí)上，比較容易進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)，具有同時(shí)移動(dòng)，高可靠性等特點(diǎn)；
[0016]2.容錯(cuò)式的山型模塊組合的初級(jí)鐵芯加工簡(jiǎn)單，易安裝同時(shí)增強(qiáng)了電機(jī)本身的容錯(cuò)性；[0017]3.電樞繞組為集中繞組和容錯(cuò)式的山型模塊初級(jí)鐵芯，使其電路和磁路獨(dú)立性好。在故障下，非故障相工況不會(huì)受影響，具有較高的帶故障運(yùn)行能力，滿足了容錯(cuò)電機(jī)基本特點(diǎn)；
[0018]4.本發(fā)明在廣泛使用的電流滯環(huán)矢量控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將容錯(cuò)控制策略應(yīng)用到模塊化容錯(cuò)式磁通切換永磁直線電機(jī)中，控制簡(jiǎn)捷可靠。
[0019]5.本發(fā)明從控制策略出發(fā)，利用所述的容錯(cuò)控制算法和容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建模塊化容錯(cuò)式磁通切換永磁直線電機(jī)的故障工況下的容錯(cuò)控制。
[0020]6.當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)作時(shí)，采用電流滯環(huán)PWM控制，容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)執(zhí)行逆變器的功能，簡(jiǎn)單可靠，推力大等優(yōu)點(diǎn)。
[0021]7.當(dāng)電機(jī)故障運(yùn)作時(shí)，電機(jī)被切換到容錯(cuò)控制下運(yùn)行，保持電機(jī)輸出推力不變，同時(shí)容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)啟動(dòng)保護(hù)功能，增強(qiáng)電機(jī)的帶故障運(yùn)行能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為A相故障前的行波磁場(chǎng)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(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)容錯(cuò)控制系統(tǒng)總框圖。
[0026]圖5為模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)控制流程圖。
[0027]圖6為容錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖7為A相開路后容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖8為電機(jī)正常、故障和容錯(cuò)時(shí)電流波形圖。
[0030]圖9為電機(jī)正常、故障和容錯(cuò)時(shí)電機(jī)速度波形圖。
[0031]圖10為電機(jī)正常、故障和容錯(cuò)時(shí)dq軸坐標(biāo)下的電流波形圖。
[0032]圖11為電機(jī)正常、故障和容錯(cuò)時(shí)推力波形圖。
[0033]圖中:1、初級(jí)齒2、次級(jí)齒3、永磁體4、容錯(cuò)齒5、電樞繞組6、“山”形導(dǎo)磁模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面根據(jù)說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋。
[0035]如圖1所示，模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)，包括初級(jí)齒I和次級(jí)齒2，所述的初級(jí)和次級(jí)齒2均采用凸極的結(jié)構(gòu)，所述的初級(jí)齒I包括八片永磁體3、電樞繞組5和七個(gè)容錯(cuò)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(cuò)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(cuò)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(gè)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(jí)齒I上且每相電樞繞組5間設(shè)有容錯(cuò)齒4隔開，每當(dāng)移動(dòng)一個(gè)次級(jí)極距時(shí)，磁鏈會(huì)有一周期的變化，運(yùn)用集中繞組和容錯(cuò)式的山型模塊初級(jí)鐵芯使其各相磁路獨(dú)立性好。所述的次級(jí)齒2僅由導(dǎo)磁型鋼軌組成，所述的次級(jí)齒2共有11個(gè)齒。次級(jí)齒2移動(dòng)時(shí)，A相繞組匝鏈的永磁磁鏈最大正向值的位值點(diǎn)定義為d軸，A相繞組匝鏈的永磁磁鏈為零的位值點(diǎn)定義為q軸。
[0036]如圖2所示，a、b、c三相產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)示意圖，此時(shí)的三相正弦電流表示為:
【權(quán)利要求】
1.模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)，包括初級(jí)齒和次級(jí)齒，其特征在于所述的初級(jí)和次級(jí)齒均采用凸極的結(jié)構(gòu)，所述的初級(jí)齒包括八片永磁體、電樞繞組和七個(gè)容錯(cuò)式的“m”形導(dǎo)磁模塊，所述的“m”形導(dǎo)磁模塊包括容錯(cuò)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(cuò)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(gè)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(jí)齒上且每相電樞繞組間設(shè)有容錯(cuò)齒隔開，所述的次級(jí)齒僅由導(dǎo)磁型鋼軌組成，所述的次級(jí)齒共有Ii個(gè)齒。
2.模塊化容錯(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)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(cè)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(hào)輸送到數(shù)字信號(hào)處理器中，之后執(zhí)行步驟2)； 2)設(shè)I表示檢測(cè)到的其中一相電樞繞組實(shí)際電流幅值，Im表示電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)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(jī)推力值，τ為電機(jī)極距值，Ψ為電機(jī)永磁磁鏈幅值，當(dāng)檢測(cè)I=Im時(shí)，即電機(jī)為正常運(yùn)行工況，則執(zhí)行步驟I);否則電機(jī)為非正常運(yùn)行工況，執(zhí)行步驟3)； 3)數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)出信號(hào)指令去控制容錯(cuò)拓?fù)潆娐分泄β书_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(hào)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(yùn)行時(shí)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(jī)帶故障運(yùn)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(cuò)磁通切換永磁直線電機(jī)控制方法，其特征在于步驟3)中所述的容錯(cuò)拓?fù)潆娐钒ㄒ粋€(gè)三相橋式功率變換器，二個(gè)母線電容，三個(gè)雙向晶閘管、一個(gè)接電機(jī)地線的雙向晶閘管，三個(gè)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(jī)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(gè)被串聯(lián)的母線電容間，所述的接電機(jī)地線的雙向晶閘管的一端連接有電機(jī)的地線，所述的接電機(jī)地線的雙向晶閘管的另一端連接在兩個(gè)母線電容間，步驟2)中當(dāng)I=Im時(shí)電機(jī)為正常運(yùn)行工況，四個(gè)雙向晶閘管均處于斷開狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到I〈Im，即其中一相電樞繞組為開路故障時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)出指令觸發(fā)雙向晶閘管被導(dǎo)通，同時(shí)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(cè)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(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器斷開故障開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(gè)回路，存儲(chǔ)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(shí)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(hào)】H02P21/00GK103441640SQ201310382439
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)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(qǐng)人:江蘇大學(xué)