一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統，包括四相橫向磁通電機、第一主功率電路、第二主功率電路、第一電動機控制器和第二電動機控制器，所述四相橫向磁通電機電樞繞組A1和A2在電機結構上相差180°電角度，這兩相構成一個單元結構，電樞繞組B1和B2在電機結構上相差180°電角度，這兩相也構成一個單元結構，并且兩個單元結構軸向之間留有一定的間隙，以削弱不同單元結構之間的耦合；電樞繞組A1和B1在電機結構上相差90°電角度，通過第一主功率電路對其進行控制；電樞繞組A2和B2在電機結構上也相差90°電角度，通過第二主功率電路對其進行控制。此種驅動系統具有較高的功率因數，可以實現零轉矩脈動，容錯性能好。
【專利說明】
一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統
技術領域
[0001]本發明屬于特種電機控制系統，特別涉及一種橫向磁通電機容錯驅動系統。
【背景技術】
[0002]橫向磁通永磁電機是由德國H.Web教授于二十世紀八十年代提出的一種新型電機，相比于傳統永磁電機，該電機磁場呈三維分布，與繞組處于不同平面，可以兼顧繞組的橫截面積與定子齒極的橫截面積，提高了電機的轉矩密度。按照磁路的不同，可將橫向磁通電機分為表貼式、聚磁式和磁阻式。表貼式橫向磁通永磁電機結構簡單、加工工藝簡單，但是漏磁大，磁通密度較低，永磁體的利用率不高，從而限制了表貼式橫向磁通永磁電機在高轉矩密度應用場合的進一步發展。聚磁式橫向磁通永磁電機充分利用了其永磁體，使得電機整體結構更加緊湊，氣隙磁密高，轉矩密度和功率密度均得到較大提高，但是結構變得復雜，對加工工藝要求更高。磁阻式橫向磁通電機一般結構簡單、成本低，但是出力小。在電動汽車、艦船電力推進和航空航天等要求大功率及高可靠性的應用場合，橫向磁通電機的相與相之間相互解耦，具備一定的容錯性能。
[0003]在高可靠性的應用場合，還需要具有容錯性能的控制器和橫向磁通電機相配合，構成完整的容錯橫向磁通電機驅動系統。
【發明內容】
[0004]本發明的目的，在于提供一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統，其具有較高的功率因數，可以實現零轉矩脈動，容錯性能好。
[0005]為了達成上述目的，本發明的解決方案是:
[0006]—種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統，包括四相橫向磁通電機、第一主功率電路、第二主功率電路、第一電動機控制器和第二電動機控制器，所述四相橫向磁通電機電樞繞組Al和A2在電機結構上相差180°電角度，這兩相構成一個單元結構，電樞繞組BI和B2在電機結構上相差180°電角度，這兩相也構成一個單元結構，并且兩個單元結構軸向之間留有一定的間隙，以削弱不同單元結構之間的耦合；電樞繞組Al和BI在電機結構上相差90°電角度，通過第一主功率電路對其進行控制；電樞繞組A2和B2在電機結構上也相差90°電角度，通過第二主功率電路對其進行控制。
[0007 ]上述四相橫向磁通電機采用四相聚磁式橫向磁通永磁電機、四相表貼式橫向磁通永磁電機或四相磁阻式橫向磁通電機。
[0008]上述驅動系統還包括第一驅動電路、第二驅動電路、第一采樣調理電路和第二采樣調理電路，第一采樣調理電路、第一電動機控制器、第一驅動電路和第一主功率電路順序連接，第一采樣調理電路的輸入端連接四相橫向磁通電機電樞繞組，第一主功率電路的輸出端連接四相橫向磁通電機;第二采樣調理電路、第二電動機控制器、第二驅動電路和第二主功率電路順序連接，第二采樣調理電路的輸入端連接四相橫向磁通電機電樞繞組，第二主功率電路的輸出端連接四相橫向磁通電機。
[0009]上述主功率電路包含有四條相互并聯的支路，各支路均包含兩個同向串聯的可控開關器件。
[0010]上述可控開關器件采用絕緣柵晶體管或場效應管。
[0011]采用上述方案后，本發明與現有技術相比，具有如下特點:
[0012](I)電機采用單元結構，有利于實現較大繞組自感的同時，利用相間互感減小相繞組等效電感，提尚正常運彳丁時的功率因數；
[0013](2)通過橫向磁通電機控制通道的設置，采用兩路獨立的主功率電路，實現了各相獨立控制，某一相的故障不會影響其他相的正常工作；
[0014](3)采用兩套獨立的電動機控制器，每套電動機控制器控制相應的主功率電路，當只有一個通道工作時，由于相位差90度，理論上可以實現零轉矩脈動；
[0015](4)當某一相電樞繞組回路發生故障時，可以通過控制其他相的功率開關管來抑制轉矩跌落，減小轉矩脈動；
[0016](5)雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統可以通過增加通道數適用于四相、八相等多相表貼式橫向磁通永磁電機、聚磁式橫向磁通永磁電機以及磁阻式橫向磁通電機，可應用于電動汽車、艦船電力推進和航空航天等要求大功率及高可靠性的場合。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的系統框圖；
[0018]圖2是四相橫向磁通電機磁鏈與反電動勢波形示意圖；
[0019]其中，圖2(a)是四相橫向磁通電機相磁鏈波形，圖2(b)是四相橫向磁通電機相反電動勢波形，^^、^^、^^、^^分別代表橫向磁通電機六！、!^、六2、132相的磁鏈仏1七1、已八2、Eb2分別代表橫向磁通電機A 1、131、42、132相的反電動勢，9是轉子位置角，1:是極距角；
[0020]圖3是四相橫向磁通電機空載時磁鏈與反電動勢相位關系圖；
[0021]其中，#/11、屯81、屯/12、屯82分別代表橫向磁通電機厶1』1)2、82相的磁鏈士1七1、Ea2、Eb2分別代表橫向磁通電機Al、B1、A2、B2相的反電動勢；
[0022]圖4是四相橫向磁通電機故障工作狀態時磁鏈、反電動勢、電流矢量圖；
[0023]其中，圖4(a)是Al相電樞繞組回路發生開路故障時磁鏈、反電動勢、電流矢量圖，圖4(b)是Al相電樞繞組回路發生短路故障時磁鏈、反電動勢、電流矢量圖；ΨΑ1、ΨΒ1、ΨΑ2、Ψ Β2分別代表橫向磁通電機A1、B1、Α2、Β2相的磁鏈，Ea1、Eb1、Εα2、Εβ2分別代表橫向磁通電機Al、B1、A2、B2相的反電動勢，丨八1、丨81、丨八2、丨82分別代表橫向磁通電機41、131、42、132相的電流；
[0024]圖5是四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統拓撲結構示意圖；
[0025]其中，虛線框I代表四相橫向磁通電機，虛線框2代表主功率電路I;虛線框3代表主功率電路2，虛線框4代表電動機控制器I，虛線框5代表電動機控制器2;1^1、1^1、1^2、1^2分別代表四相橫向磁通電機六1、81^2、82相的電樞繞組電感;1](11、1](12分別代表兩路主功率電路直流母線側的輸入電壓;01、02、03、04、05、06、07、08、09、01。、011、012、013、014、015、016分別為主功率電路I和主功率電路2上、下橋臂的絕緣柵晶體管；
[0026]圖6是四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統故障工作狀態示意圖；
[0027]其中，圖6(a)是Al相電樞繞組回路發生開路故障時的工作狀態示意圖，圖6(b)是Al相電樞繞組回路發生短路故障時的工作狀態示意圖；虛線框I代表四相橫向磁通電機，虛線框2代表主功率電路I，虛線框3代表主功率電路2，虛線框4代表電動機控制器I，虛線框5代表電動機控制器2; La1、Lb1、La2、Lb2分別代表四相橫向磁通電機Al、B1、A2、B2相的電樞繞組電感;Udl、1]<!2分別代表兩路主功率電路直流母線側的輸入電壓;Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q1Q、Qn、Qi2、Qi3、Qi4、Qis、Q16分別為主功率電路I和主功率電路2上、下橋臂的絕緣柵晶體管。
【具體實施方式】
[0028]以下將結合附圖，對本發明的技術方案及有益效果進行詳細說明。
[0029]如圖1所示，本發明提供一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統，包括四相橫向磁通電機、第一主功率電路(主功率電路I )、第二主功率電路(主功率電路2 )、第一電動機控制器(電動機控制器I)和第二電動機控制器(電動機控制器2)，下面分別介紹。
[0030]四相橫向磁通電機可以采用四相聚磁式橫向磁通永磁電機，也可以是四相表貼式橫向磁通永磁電機或四相磁阻式橫向磁通電機，以四相聚磁式橫向磁通永磁電機為例，電樞繞組Al和A2處于同一定子鐵心中，二者相位差180°電角度，這兩相構成一個單元結構，電樞繞組BI和B2也處于同一定子鐵心中，相位差180°電角度，這兩相構成另外一個單元結構，兩個單元結構軸向之間留有一定的間隙，以削弱不同單元結構之間的耦合。采用單元結構，利用兩相之間的互感使得在正常運行狀態各相等效自感減小，有利于提高功率因數;在一相發生短路故障時，短路電流使得同單元結構的另一相反電勢增加，同樣的電樞電流將產生更大的電磁轉矩，彌補了由于一相短路引起的轉矩下降。此外，還可以通過控制與短路相同單元的相繞組電流來對短路相電流進行抑制。
[0031]四相電樞繞組相與相之間相互獨立，電機本體具備容錯性能。對于所述的四相聚磁式橫向磁通永磁電機可以產生隨轉子角度正弦變化的磁鏈和反電動勢，四相橫向磁通電機相磁鏈與反電動勢波形示意圖如圖2(a)、圖2(b)所示。空載時磁鏈與反電動勢相位關系圖如圖3所示，根據反電動勢波形采取相應的控制策略通入電流，就可以作為電動機向機械負載提供轉矩。四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統拓撲結構示意圖如圖5所示。
[0032]電樞繞組Al和BI在電機結構上相差90°電角度，采用兩相電機的控制方式并通過第一主功率電路(即通道I)對其進行控制。電樞繞組A2和B2在電機結構上也相差90°電角度，也采用兩相電機的控制方式并通過第二主功率電路(即通道2)對其進行控制。每相電樞繞組兩端單獨接入主功率電路，第一主功率電路和第二主功率電路的上、下橋臂均為絕緣柵晶體管或場效應管等功率開關器件，每路主功率電路配套獨立的電動機控制器、采樣調理電路和驅動電路。第一電動機控制器采樣電機轉子位置信號、電樞繞組Al和BI的電流信號，產生第一主功率電路(即通道I)中各個可控開關器件的驅動信號，根據采樣得到電樞繞組Al和BI的電流信號判斷電樞繞組Al和BI回路是否發生故障。第二電動機控制器采樣電機轉子位置信號、電樞繞組A2和B2的電流信號，產生第二主功率電路(即通道2)中各個可控開關器件的驅動信號，根據采樣得到電樞繞組A2和B2的電流信號判斷電樞繞組A2和B2回路是否發生故障。通過兩路獨立的主功率電路和兩套電動機控制器，實現了對橫向磁通電機的容錯控制。
[0033]以Al相電樞繞組回路發生故障為例進行工作狀態分析，Al相電樞繞組回路發生開路故障時的工作狀態示意圖如圖6(a)所示，Al相電樞繞組回路開路故障主要包括絕緣柵晶體管Q^Q^Qs、Q4中任何一個或者多個開路以及Al相電樞繞組發生開路。開路故障時磁鏈、反電動勢、電流矢量圖如圖4 (a)所示，可以通過控制A2、BI和B2三相中晶體管的驅動信號來適當增加其電流大小，從而抑制轉矩跌落，減小轉矩脈動。Al相電樞繞組回路發生短路故障時的工作狀態示意圖如圖6(b)所示，Al相電樞繞組回路短路故障主要包括絕緣柵晶體管Q1、Q2、Q3、Q4中任何一個或者多個短路以及Al相電樞繞組發生短路。短路故障時磁鏈、反電動勢、電流矢量圖如圖4 (b)所示，Al相短路電流對A2相起增磁作用，A2相同樣大小的電樞電流將產生更大的電磁轉矩，彌補了由于Al相短路引起的轉矩下降。此外，還可以通過控制A2相繞組電流來對Al相短路電流進行抑制。A2、B1和B2相電樞繞組回路發生故障時，采用同樣的控制策略抑制轉矩跌落，減小轉矩脈動。
[0034]以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。
【主權項】
1.一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統，其特征在于:包括四相橫向磁通電機、第一主功率電路、第二主功率電路、第一電動機控制器和第二電動機控制器，所述四相橫向磁通電機電樞繞組Al和A2在電機結構上相差180°電角度，這兩相構成一個單元結構，電樞繞組BI和B2在電機結構上相差180°電角度，這兩相也構成一個單元結構，并且兩個單元結構軸向之間留有一定的間隙，以削弱不同單元結構之間的耦合；電樞繞組Al和BI在電機結構上相差90°電角度，通過第一主功率電路對其進行控制；電樞繞組A2和B2在電機結構上也相差90°電角度，通過第二主功率電路對其進行控制。2.如權利要求1所述的一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統，其特征在于:所述四相橫向磁通電機采用四相聚磁式橫向磁通永磁電機、四相表貼式橫向磁通永磁電機或四相磁阻式橫向磁通電機。3.如權利要求1所述的一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統，其特征在于:所述驅動系統還包括第一驅動電路、第二驅動電路、第一采樣調理電路和第二采樣調理電路，第一采樣調理電路、第一電動機控制器、第一驅動電路和第一主功率電路順序連接，第一采樣調理電路的輸入端連接四相橫向磁通電機電樞繞組，第一主功率電路的輸出端連接四相橫向磁通電機;第二采樣調理電路、第二電動機控制器、第二驅動電路和第二主功率電路順序連接，第二采樣調理電路的輸入端連接四相橫向磁通電機電樞繞組，第二主功率電路的輸出端連接四相橫向磁通電機。4.如權利要求1所述的一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統，其特征在于:所述主功率電路包含有四條相互并聯的支路，各支路均包含兩個同向串聯的可控開關器件。5.如權利要求4所述的一種四相雙通道容錯橫向磁通電機驅動系統，其特征在于:所述可控開關器件采用絕緣柵晶體管或場效應管。
【文檔編號】H02K3/28GK105871267SQ201610344651
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】陳志輝, 何海翔, 梅慶梟, 張昌錦, 王蘭鳳
【申請人】南京航空航天大學