一種內嵌式混合磁材料容錯圓筒直線電機的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種新型電機和相短路故障容錯控制方法，特別是五相容錯永磁直線 電機及其相短路故障容錯矢量控制方法。適用于航空航天、電動汽車等對電機的可靠性和 動態性能有較高要求的場合。
【背景技術】
[0002] 隨著社會的發展以及人們生活水平的提高，對汽車駕乘的舒適性和安全穩定性要 求越來越高。作為現代汽車的重要組成部分，懸架系統性能對汽車行駛平順性和操作穩定 性等有著極其重要的影響，因此主動懸架系統的研究受到業內高度重視。作為主動電磁懸 架系統的核心部件，圓筒直線電機研究受到重視。電機在故障狀態下的容錯性能，直接決定 著電磁懸架的可靠性和連續運行的能力。
[0003] 容錯電機是指通過改變繞組方式和定子齒結構，在空間上實現相與相之間的電隔 離、磁隔離、熱隔離和物理隔離，從而提高電機帶故障運行能力的一類新型電機。文獻IEEE Transactions on plasma science 39(1) :83-86,2011(Magnetic field of a tubular linear motor with special permanent magnet)中提出的內嵌式電機沒有容錯能力，當某 一相發生故障，便不能正常運行，無法滿足高可靠性和連續運行的要求。中國發明專利申請 號201010120847. 5《一種容錯式永磁直線電機》公開了一種三相容錯磁通反向永磁單邊平 板直線電機，雖然其引入了隔離齒，容錯性能提高，但沒有解決漏磁嚴重的問題，其電樞齒 表面貼裝有兩塊磁化方向相反的永磁體，導致大量的磁力線不經過動子輒部形成磁回路， 在齒端造成磁路短路的現象，產生比較嚴重的漏磁；另外，由于永磁體表貼在電樞齒表面， 由于永磁體和電樞齒之間的機械強度較小，電機的推力或者推力密度很難做大。另一方面， 近年來，國內外對稀土永磁體的使用量不斷遞增，而稀土材料儲備有限且價格昂貴，所以電 機設計過程中應關注如何減少稀土永磁體的用量，降低電機成本。鐵氧體永磁材料價格低 廉，產量豐富，供應穩定，所以鐵氧體材料是稀土永磁體很好的替代品。
[0004] 容錯電機在某一相發生開路或者短路故障時，電機仍然具有一定的推力或者轉矩 輸出能力，但是推力或者轉矩波動很大，噪聲增大，嚴重影響系統性能。容錯控制的目標是 針對不同應用場合對容錯電流進行優化，使電機在故障狀態下的輸出推力或者轉矩盡量平 滑，并且使電機性能達到或接近故障前的性能。中國發明專利申請號為201510059387. 2的 專利《一種五相容錯永磁電機的短路容錯控制方法》針對五相容錯表貼式永磁旋轉電機，將 短路故障對電機轉矩的影響分解為兩部分：一部分是開路故障對轉矩的影響；另一部分是 短路電流對轉矩影響。針對開路故障，采用故障前后磁動勢和不變原則以及故障后電流幅 值相等原則，優化剩余非故障相的相電流；針對短路電流引起的轉矩波動，采用故障后磁動 勢為零和銅耗最小原則求出非故障相補償電流；最后兩部分電流相加，求得剩余非故障相 的電流指令。根據求得的剩余非故障相電流采用電流滯環控制策略，對五相容錯表貼式永 磁旋轉電機進行控制。該方法用于抑制短路相電流導致轉矩波動的剩余非故障相補償電 流的幅值是常數，與電機轉速無關，且剩余非故障相的補償電流之和不為零；更為主要的是 僅僅給出了短路容錯電流，用Maxwell進行了仿真驗證，沒有提及具體使用何種控制策略 進行控制。目前，常用的容錯控制方法是：計算出容錯電流，然后采用電流滯環策略進行控 制。但是，該方法存在開關頻率雜亂、噪聲大、電機動態性能差等問題，不適合功率較大以及 對電機動態性能要求高的場合。

【發明內容】

[0005] 針對現有直線電機技術的不足，基于原有次級永磁型圓筒直線電機結構，本發明 提出一種節省稀土永磁材料且容錯性能好的永磁體內嵌式圓筒直線電機。該電機既能降低 稀土永磁體的用量，降低電機成本，同時更為關鍵的是在保持傳統永磁體內嵌式電機優點 的基礎上提高了直線電機的容錯性能。
[0006] 針對現有電機容錯控制技術中存在的不足，以及本發明提出的五相內嵌式混合磁 材料容錯圓筒直線電機的特性和該類電機相短路故障特點，本發明目的是克服電機相短路 故障后現有容錯策略使用電流滯環控制導致逆變器開關頻率雜亂、電機響應速度下降、動 態性能差、電流無法精確跟隨、噪聲嚴重的缺點以及現有容錯控制算法運算復雜的缺陷，提 出一種用于本發明的五相內嵌式混合磁材料容錯圓筒直線電機的高性能短路容錯矢量控 制方法，實現該類電機系統在短路故障狀態下的高容錯性能、高動態性能、電流良好的跟隨 性，減小CPU開銷，實現逆變器開關頻率恒定、降低噪聲，便于電磁兼容設計，進而提高本發 明的五相內嵌式混合磁材料容錯圓筒直線電機短路故障狀態下的動態性能和可靠性。
[0007] 本發明的裝置采用如下技術方案來實現：
[0008] -種內嵌式混合磁材料容錯圓筒直線電機，包括初級和次級，初級長度小于次級 長度，初級和次級之間有氣隙；所述初級包括電樞齒、容錯齒和線圈繞組；所述初級均布 2*m個電樞齒和2*m個容錯齒，m為電機的相數且m多3 ;電樞齒和容錯齒交錯間隔排列，初 級每個電樞齒槽中都只放一套圓盤狀線圈繞組，而容錯齒上沒有繞組；其中，第一個電樞齒 兩側的槽內和第2*m+l個電樞齒兩側的槽內放置的集中繞組屬于同一相，其余電樞齒兩側 的槽內繞組依次屬于其他相；
[0009] 所述次級包括導磁材料和永磁體；采用內嵌方式放置在兩塊導磁材料之間，每一 對永磁體是由稀土永磁體和鐵氧體兩種混合磁材料組成，永磁體采用軸向交替充磁方式， 且稀土永磁體和鐵氧體軸向寬度相等；每一個相同充磁方向的永磁體由一種永磁材料組 成；或者每一個相同充磁方向的永磁體由兩種永磁材料串聯或并聯組成；永磁體的極與極 之間采用導磁材料隔離；
[0010] 所述電樞齒齒寬Wat和容錯齒齒寬Wft等寬，或電樞齒齒寬W at大于等于容錯齒齒寬 wft;每一電樞齒以及容錯齒上均無調制齒，或者每一電樞齒以及容錯齒上均設有調制齒。
[0011] 進一步，所述內嵌式混合磁材料容錯圓筒直線電機采用分數槽結構，極槽關系滿 足：NS= 2p±2或者Ns= 2p±l。其中，Ns為初級槽數，p為次級極對數。
[0012] 進一步，每一極所述永磁體的形狀是一個整體圓筒、或內外兩個圓筒嵌套成圓筒、 或上下（或左右）兩個圓筒拼接成一個圓筒、或η塊瓦片拼接成一個圓筒且η彡2 ;永磁體 圓筒的壁厚小于導磁材料圓筒的壁厚，且永磁體圓筒的內徑大于導磁材料圓筒的內徑，永 磁體圓筒的外徑小于導磁材料圓筒的外徑，永磁體圓筒和導磁材料圓筒同軸安裝；
[0013] 進一步，所述內嵌式混合磁材料容錯直線電機為單邊平板結構、或雙邊平板結構、 或者圓筒型結構，該電機能夠作為發電機或者電動機。
[0014] 本發明具有以下有益效果：
[0015] 1、本發明的永磁體采用內嵌方式安裝在次級上，結構簡單、可靠性高（永磁體不 會因為推力過大而從次級上脫落、牢固性好）、推力大、推力密度高、效率高、恒功率范圍寬、 有較大的弱磁調速范圍。
[0016] 2、電機初級上電樞繞組采用圓盤狀集中繞組，繞線方便且沒有端部繞組，減小了 電機電阻和銅耗，且能提高電機效率。每個初級電樞齒兩側的槽里只放置一套繞組，容錯齒 上沒有繞組，起到了對電機相與相之間的物理隔離，實現了相與相間的電隔離、熱隔離以及 磁路解耦，具有很好的容錯性能，使其在對可靠性要求比較高的汽車懸架系統等領域中具 有很好的應用前景。通過減小電機容錯齒齒寬，能夠增大槽面積，從而既提高容錯性能，又 提升空間利用率以及提高效率。另外，集中繞組方式和永磁體內嵌放置方式相結合使電機 結構非常緊湊，安裝牢固，電機體積減小，功率密度增大，推力密度提高。容錯齒和內嵌式永 磁體相結合，解決了容錯直線電機推力小的問題。在電樞齒和容錯齒上設置調制齒，且將調 制齒和內嵌式永磁體結合使得電機低速時的推力密度進一步提升。
[0017] 3、電機次級采用混合磁材料，用一部分鐵氧體代替一部分稀土永磁體，構成四種 不同的混合磁材料結構，一方面大大減少了稀土永磁體的使用量，降低了電機的成本，另一 方面由于永磁體磁能積降低大大減小了電機的渦流損耗，使得電機的效率提高。永磁體采 用軸向交替磁化方式，且和導磁材料交替安裝在次級上，永磁體圓筒壁厚小于導磁材料圓 筒壁厚，永磁體圓筒內徑大于導磁材料圓筒內徑，永磁體圓筒外徑小于導磁材料圓筒外徑， 且永磁體圓筒和導磁材料圓筒同軸安裝，大大降低了相鄰N極和S極永磁體之間的漏磁磁 通，提高了永磁材料的利用率。永磁體嵌入式結構、混合磁材料和永磁體圓筒與導磁材料圓 筒之間的尺寸關系及安裝方式相結合使直線電機的漏磁大大減小，降低了渦流損耗，提高 了永磁材料的利用率，降低了電機制造成本，提升了電機效率，減小了電機體積，增加了推 力密度。混合磁材料內嵌式結構、永磁體圓筒與導磁材料圓筒之間的尺寸關系及同軸安裝 方式與容錯相結合使得直線電機具有低成本、高效率、高容錯性能、高可靠性、高推力密度 及寬調速范圍。
[0018] 4、本發明在保證電機某一相短路故障前后電機輸出推力相等的前提下，不但能 有效抑制電機推力波動，而且更為關鍵的是能使電機容錯運行情況下的動態性能、電流跟 隨性能和正常狀態下的性能一致，并且無需復雜的計算，電壓源逆變器開關頻率恒定、噪聲 低、CPU開銷小；任何一相短路故障時，自然坐標系只需逆時針旋轉一定角度，就能使電機 容錯運行，算法具有一定的通用性。
[0019] 5、采用本發明短路容錯矢量控制策略后，該類電機在A相短路故障情況下，容錯 運行時，其動態性能、穩態性能和電機正常狀態下一樣，