[发明专利]双通道容错式磁通切换永磁电机及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电工、电机、控制技术领域，特指一种新型定子永磁式容错电机及其控制方法，适用于对系统连续运行有严格要求的高可靠性领域。

背景技术

随着电机在军事、工业、民用等领域的应用范围不断扩大，电机驱动系统的可靠性问题得到了相关领域学者越来越广泛的关注，特别是在航空航天、军事装备、矿井轧钢等对连续操作有较高要求的场合，可靠性显得尤为重要。这些应用领域要求电机驱动系统具有较高的可靠性和较强的容错运行能力。

就技术层面而言，提高系统的可靠性途径主要可以分为冗余和容错这两种方法。在电机本体方面，双绕组的冗余式结构虽然提高了电机的可靠性，但由于其结构较为复杂，并未得到广泛的采用。因此，容错式的电机本体结构就成为研究的焦点。

开关磁阻电机采用双凸极结构，具有结构简单、相与相之间电路和磁路独立性较好等特点，因此容错性能较好。考虑到永磁电机无励磁损耗、效率高、功率密度高等优点，将容错概念引入到永磁电机，研究开发出集高功率密度和高容错性能于一体的新型容错永磁电机，就成为当前研究的热点。

转子永磁型电机是目前研究较为成熟的永磁电机，在此基础上，出现了定子采用集中绕组的永磁容错电机结构。相关研究结果表明：该种电机的容错性能较好，且具有功率密度高、效率高的优点。但是，由于其永磁体安装在转子表面，当电机处于高速旋转发热时，因其冷却较为困难而易出现故障，导致电机的可靠度下降，故其在高可靠性领域(其主要应用背景)的应用受到了很大限制。综上，这两种当前学术界较为关注的容错电机，在具备较高容错性能的同时，分别在功率密度和可靠度方面存在弊端。因此，结合二者的优点，研究出新型结构的高可靠性和高功率密度的永磁容错电机成为了当前学术领域亟待解决的问题。

定子永磁型电机的研究始于上世纪九十年代中期，发展到现在，出现了多种电机结构，如双凸极永磁电机、磁通反向电机以及磁通切换永磁电机等。该类电机的出现，为新型定子永磁式容错电机驱动系统的研究奠定了基础。

发明内容

技术问题：本发明为了提高电机驱动系统的可靠性，结合定子永磁型电机的基本特性，提出了一种新型绕组结构的双通道容错式磁通切换永磁电机。在此基础上，针对故障状态下双通道绕组互补性被破坏的问题，建立了该种电机的智能容错控制策略。双通道容错式磁通切换永磁电机具有高度正弦的空载反电动势、较强的转矩输出能力和较大的功率密度，故障状态下具有很好的电磁特性，特别适合于对系统的连续运行有较高要求的高可靠性领域的应用。

技术方案：本发明是在传统的磁通切换永磁电机的基础上，通过采用不同的绕组连接方式，实现了电机的冗余运行，具有较高的带故障运行能力和容错控制可行性。在正常运行状态下，磁通切换永磁电机每相绕组的两个通道具有很强的互补性，从而使得该相反电势接近正弦，因此可以采用三相正弦电流来控制。但是，当电机发生绕组断路故障时，其绕组互补性被破坏，使得故障相反电势谐波增加。针对此问题，本发明提出的容错控制策略，通过调整非故障相绕组电流的相位和幅值的方法，在不具备绕组互补性的情况下，实现了容错控制，降低了转矩脉动，提高了故障状态下电机性能。该定子永磁型容错电机尤其适用于一些可靠性要求较高，如航空航天、军事领域、矿井轧钢等要求连续操作的领域。

本发明的双通道容错式磁通切换永磁电机采用双通道绕组、双凸极结构；转子采用内置式转子结构，由硅钢片叠压而成，共10个齿；定子由12个“U”形导磁铁心组成，每两个“U”形导磁铁心中间分别嵌入1片切向交替充磁的永磁体；定子绕组采用双通道冗余结构：定子极上径向相对的两个线圈串连成一相绕组的一个通道，每相绕组由两个通道组成，该电机共有三相六套绕组，运行时对每一套绕组采用独立控制的方式。

本发明的双通道容错式磁通切换永磁电机的控制方法为：当A相第一绕组发生断路故障时，则此时的A相第一绕组与A相第二绕组之间的互补性原则被破坏，A相反电势不再为近似正弦，且正负不对称，此时，通过容错控制策略的引入，调整B1绕组和C1绕组的相位以及幅值，补偿A相第一绕组产生的旋转磁场分量，保持电机内的磁场平衡，使得电机在故障状态下仍可以提高运行特性，保证该电机驱动系统具备较高的可靠性，容错控制策略具体实现步骤分为五步：

1.)将B1绕组电流在相位上比系统正常运行时提前30度电角度；

2.)将B1绕组电流在幅值上比系统正常运行时增大倍；

3.)将C1绕组电流在相位上比系统正常运行时滞后30度电角度；

4.)将C1绕组电流在相位上比系统正常运行时增大倍；