一种三相永磁容错电机及其容错控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种三相永磁容错电机及其容错控制系统，电机采取12槽10极配合结构，转子为表贴式永磁体结构，并采取2段式分段斜极进行优化，外侧设置以环形顺序分布在垂直转子铁芯轴线上的离心式永磁体；定子轭部两侧沿定子铁芯延伸形成定子齿，相邻定子齿之间为半开口结构的定子槽，槽内设置单层分数槽的定子绕组，定子槽与定子齿引导线圈隔齿绕制；系统通过故障诊断模块与容错控制模块进行单相故障诊断与容错控制。本发明专利技术实现了电机的高容错性能，能够满足高效率和高可靠性的要求，同时有效抑制了转矩脉动和空载反电动势畸变；还能够快速诊断单相故障，及时采取容错控制，保证电机及其容错控制系统的工作可靠性。机及其容错控制系统的工作可靠性。机及其容错控制系统的工作可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种三相永磁容错电机及其容错控制系统


[0001]本专利技术涉及永磁容错电机
，特别涉及一种三相永磁容错电机及其容错控制系统。

技术介绍

[0002]随着国家对能源以及环境的日益重视，新能源汽车在我国得到了大力推广。与其他电机相比，永磁同步电机具有更高的效率，更高的功率密度和更高的控制精度，使其成为了新能源汽车动力驱动系统的核心部件。从已有研究来看，高性能的永磁电机本体设计及其驱动控制系统的研究在新能源汽车领域是至关重要的。
[0003]永磁同步电机及其控制系统作为新能源汽车电力推进系统的重要组成部分，若发生故障便会导致电机的不对称运行，转矩脉动增大，产生较大的噪声，从而影响系统的工作性能，甚至不能工作，严重危害系统安全。因此，为了提高电力驱动系统的可靠性，要求永磁电机具有一定的容错能力。一般情况下，电机及其控制系统的故障主要包括电机本体的绕组开路、匝间短路和相间开路，以及功率变换电路的单相短路与开路故障。因此，可以从电机结构和电机控制系统两方面进行容错设计。
[0004]中国专利公开号CN106257802A，公开时间为2016.12.28，专利技术名称为一种容错电机拓扑结构，该容错电机每相可看成一个独立的通道，同时各个通道之间相互冗余备份，使该容错电机能够与驱动控制拓扑结构紧密结合，不仅实现了电气隔离，还能够在发生故障时，通过增加其它三相绕组电流提高非故障相绕组的转矩输出能力，从而弥补发生故障那套三相绕组的输出缺失，提高整个系统的可靠性；但是此专利技术电机结构复杂，转矩密度较低以及电机控制冗余度不高的问题需要进一步优化。除此之外，现有技术通过增加容错齿和提高电机相数来提高电机容错性能的方法也存在一些不足：1.增加额外的容错齿会改变定子齿槽结构导致定子槽面积减小，转矩性能变差，也会增加额外的加工成本；2.提高电机相数，如采用五相、七相或双三相结构，虽然可以保证故障后电机继续运行，但绕组间仍然有耦合，不能完全实现电气隔离。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的缺陷，提出了一种三相永磁容错电机及其容错控制系统，使其能够满足物理隔离、热隔离、磁隔离、电气隔离和抑制短路电流的能力，减小电机的转矩脉动，提高电机的输出转矩和效率等性能，还能与驱动控制拓扑结构进行有机结合，对系统的单相开路和短路故障进行容错控制，保证电机及其控制系统的工作可靠性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种三相永磁容错电机，电机采取12槽10极配合结构，包括转子结构和定子结构两部分；
[0008]所述转子结构为表贴式永磁体结构，并采取2段式分段斜极进行优化，斜极角度为
3
°
，转子铁芯由多层彼此绝缘的冷轧硅钢片沿轴向叠压而成，离心式永磁体安置在转子铁芯外表面，极性交替设置，相邻的离心式永磁体极性相反，充磁方向为平行充磁且以NSNS环形交错排序逆时针分布在垂直转子铁芯的中心轴线上；
[0009]所述定子结构包括定子槽、定子齿和定子绕组，定子齿为等齿平行结构，相邻两个定子齿之间为在定子铁芯内表面沿轴向均匀设置的定子槽，并采用绝缘纸进行槽绝缘，在定子齿和定子槽之间顺时针依次布置各相线圈构成单层分数槽集中式定子绕组，嵌装定子绕组的定子槽用槽楔封堵；定子铁芯设置在转子铁芯外侧，与转子铁芯同轴安装，两者之间设置有0.5mm的气隙。
[0010]优选的，所述定子槽与定子齿呈外圆同心结构，单个定子槽两侧边角度为30
°
，相邻两个定子槽间的定子齿引导铜线圈在定子槽上隔齿交替绕制构成定子绕组，定子绕组在定子铁芯周围空间按相位定向分布，形成三相电机的电磁场矢量。
[0011]优选的，所述定子铁芯绕圆周展开为12个定子槽，12个定子齿，相邻的定子齿和定子槽之间只有一相绕组的线圈，每齿线圈匝数为15，每组线圈由10股铜线并绕连接，以每极每相槽数作为最小单元将12组线圈嵌入到定子槽中，每相对应的两个极相组反向串联作为一相的绕组，三相的线圈组相互隔离，为各相定子绕组提供各自的磁场回路。
[0012]优选的，所述定子绕组以槽极配合的最简式作为基本单元划分为两条相带，每条相带按槽等分为A、B、C三相的短距相带，根据极性将两条相带上的A、B、C三相分别跨接线形成两条支路，每条支路对应的相绕组在空间上相差180
°
，将两条支路依次串联，最后将三相绕组的线圈末端连接在公共点构成星形接法。
[0013]优选的，所述分段斜极的转子在轴向上被分成两段长度相同的转子段，转子段上的磁极在圆周方向上的极弧角度和厚度均相同，上下叠装的两段转子磁极逆时针错开3
°
的机械角度，通过定位孔将分段斜极的转子进行固定和连接。
[0014]优选的，所述离心式永磁体沿转子铁芯外表面对称分布，每极沿周向错开36
°
，相邻两磁极的极性相反，每个磁极的磁化方向角度为30
°
，离心式永磁体两侧周向均匀分布等间隔的气隙，磁力线穿过定子铁芯、转子铁芯、气隙和相邻磁极一周形成闭合回路。
[0015]优选的，所述电机的主要尺寸为：定子外径120mm，定子内径66mm，转子外径57mm，转子内径45mm，转子与定子之间为0.5mm的径向气隙，离心式永磁体磁极最大厚度为4mm。
[0016]一种三相永磁容错电机的容错控制系统，容错控制系统包括：一台三相永磁容错电机，一套三相逆变器，一套速度PI控制器，两套电流PI控制器，一个双向晶闸管TR，一个独立电驱动用直流电源，一个故障诊断模块、容错控制模块、高频信号注入模块、高频响应信号提取模块、电流传感和位置传感器。
[0017]优选的，所述故障诊断模块的具体诊断过程如下：
[0018]S1、向电枢绕组的d轴注入频率为1kHz的高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应u
qh
为：
[0019][0020]其中，ω为转速,ψ
fd
为磁链，L
q1
为q轴主自感，L1为漏感；
[0021]S2、对于提取得到的q轴高频电压响应u
qh
，计算出高频响应信号的平均绝对值<|u
qh
|>，表示为：
[0022][0023]其中，T1和T2为单位采样周期的起始和终止时间；
[0024]S3、将高频响应信号平均绝对值代入故障诊断模块，三相永磁容错电机故障诊断准则为：
[0025][0026][0027]其中，m
z
为q轴高频电压响应信号在正常状态下的平均绝对值，M为故障仿真中的调节参数，F1为检测阈值，t0为电机正常启动时间；
[0028]S4、根据F的值判断是否发生故障，F＝0时代表系统正常运行，F＝1时代表三相永磁容错电机系统发生单相开路/短路故障。
[0029]优选的，所述容错控制模块采用i
d
＝0的矢量控制策略对三相永磁容错电机进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三相永磁容错电机，其特征在于，电机采取12槽10极配合结构，包括转子结构和定子结构两部分；所述转子结构为表贴式永磁体结构，并采取2段式分段斜极进行优化，斜极角度为3
°
，转子铁芯由多层彼此绝缘的冷轧硅钢片沿轴向叠压而成，离心式永磁体安置在转子铁芯外表面，极性交替设置，相邻的离心式永磁体极性相反，充磁方向为平行充磁且以NSNS环形交错排序逆时针分布在垂直转子铁芯的中心轴线上；所述定子结构包括定子齿、定子槽和定子绕组，定子齿为等齿平行结构，相邻两个定子齿之间为沿定子铁芯内表面轴向均匀设置的定子槽，并采用绝缘纸进行槽绝缘，在定子齿和定子槽之间顺时针依次布置各相线圈构成单层分数槽集中式定子绕组，嵌装定子绕组的定子槽用槽楔封堵；定子铁芯设置在转子铁芯外侧，与转子铁芯同轴安装，两者之间设置有0.5mm的气隙。2.根据权利要求1所述的一种三相永磁容错电机，其特征在于，所述定子槽与定子齿呈外圆同心结构，单个定子槽两侧边角度为30
°
，相邻两个定子槽间的定子齿引导铜线圈在定子槽上隔齿交替绕制构成定子绕组，定子绕组在定子铁芯周围空间按相位定向分布，形成三相电机的电磁场矢量。3.根据权利要求2所述的一种三相永磁容错电机，其特征在于，所述定子铁芯绕圆周展开为12个定子槽，12个定子齿，相邻的定子齿和定子槽之间只有一相绕组的线圈，每齿线圈匝数为15，每组线圈由10股铜线并绕连接，以每极每相槽数作为最小单元将12组线圈嵌入到定子槽中，每相对应的两个极相组反向串联作为一相的绕组，三相的线圈组相互隔离，为各相定子绕组提供各自的磁场回路。4.根据权利要求3所述的一种三相永磁容错电机，其特征在于，所述定子绕组以槽极配合的最简式作为基本单元划分为两条相带，每条相带按槽等分为A、B、C三相的短距相带，根据极性将两条相带上的A、B、C三相分别跨接线形成两条支路，每条支路对应的相绕组在空间上相差180
°
，将两条支路依次串联，最后将三相绕组的线圈末端连接在公共点构成星形接法。5.根据权利要求1所述的一种三相永磁容错电机，其特征在于，所述分段斜极的转子在轴向上被分成两段长度相同的转子段，转子段上的磁极在圆周方向上的极弧角度和厚度均相同，上下叠装的两段转子磁极逆时针错开3
°
的机械角度，通过定位孔将分段斜极的转子进行固定和连接。6.根据权利要求1所述的一种三相永磁容错电机，其特征在于，所述离心式永磁体沿转子铁芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋雪峰，张志贤，周璟瑜，刘洪波，马凯，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：