一种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型电机和相短路故障容错控制方法，特别是五相容错永磁直线 电机及其相短路故障容错矢量控制方法。适用于航空航天、电动汽车等对电机的可靠性和 动态性能有较高要求的场合。
【背景技术】
[0002] 随着社会的发展以及人们生活水平的提高，对汽车驾乘的舒适性和安全稳定性要 求越来越高。作为现代汽车的重要组成部分，悬架系统性能对汽车行驶平顺性和操作稳定 性等有着极其重要的影响，因此主动悬架系统的研究受到业内高度重视。作为主动电磁悬 架系统的核心部件，圆筒直线电机研究受到重视。电机在故障状态下的容错性能，直接决定 着电磁悬架的可靠性和连续运行的能力。
[0003] 容错电机是指通过改变绕组方式和定子齿结构，在空间上实现相与相之间的电隔 离、磁隔离、热隔离和物理隔离，从而提高电机带故障运行能力的一类新型电机。文献IEEE Transactions on plasma science 39(1) :83-86,2011(Magnetic field of a tubular linear motor with special permanent magnet)中提出的内嵌式电机没有容错能力，当某 一相发生故障，便不能正常运行，无法满足高可靠性和连续运行的要求。中国发明专利申请 号201010120847. 5《一种容错式永磁直线电机》公开了一种三相容错磁通反向永磁单边平 板直线电机，虽然其引入了隔离齿，容错性能提高，但没有解决漏磁严重的问题，其电枢齿 表面贴装有两块磁化方向相反的永磁体，导致大量的磁力线不经过动子辄部形成磁回路， 在齿端造成磁路短路的现象，产生比较严重的漏磁；另外，由于永磁体表贴在电枢齿表面， 由于永磁体和电枢齿之间的机械强度较小，电机的推力或者推力密度很难做大。另一方面， 近年来，国内外对稀土永磁体的使用量不断递增，而稀土材料储备有限且价格昂贵，所以电 机设计过程中应关注如何减少稀土永磁体的用量，降低电机成本。铁氧体永磁材料价格低 廉，产量丰富，供应稳定，所以铁氧体材料是稀土永磁体很好的替代品。
[0004] 容错电机在某一相发生开路或者短路故障时，电机仍然具有一定的推力或者转矩 输出能力，但是推力或者转矩波动很大，噪声增大，严重影响系统性能。容错控制的目标是 针对不同应用场合对容错电流进行优化，使电机在故障状态下的输出推力或者转矩尽量平 滑，并且使电机性能达到或接近故障前的性能。中国发明专利申请号为201510059387. 2的 专利《一种五相容错永磁电机的短路容错控制方法》针对五相容错表贴式永磁旋转电机，将 短路故障对电机转矩的影响分解为两部分：一部分是开路故障对转矩的影响；另一部分是 短路电流对转矩影响。针对开路故障，采用故障前后磁动势和不变原则以及故障后电流幅 值相等原则，优化剩余非故障相的相电流；针对短路电流引起的转矩波动，采用故障后磁动 势为零和铜耗最小原则求出非故障相补偿电流；最后两部分电流相加，求得剩余非故障相 的电流指令。根据求得的剩余非故障相电流采用电流滞环控制策略，对五相容错表贴式永 磁旋转电机进行控制。该方法用于抑制短路相电流导致转矩波动的剩余非故障相补偿电 流的幅值是常数，与电机转速无关，且剩余非故障相的补偿电流之和不为零；更为主要的是 仅仅给出了短路容错电流，用Maxwell进行了仿真验证，没有提及具体使用何种控制策略 进行控制。目前，常用的容错控制方法是：计算出容错电流，然后采用电流滞环策略进行控 制。但是，该方法存在开关频率杂乱、噪声大、电机动态性能差等问题，不适合功率较大以及 对电机动态性能要求高的场合。
【发明内容】
[0005] 针对现有直线电机技术的不足，基于原有次级永磁型圆筒直线电机结构，本发明 提出一种节省稀土永磁材料且容错性能好的永磁体内嵌式圆筒直线电机。该电机既能降低 稀土永磁体的用量，降低电机成本，同时更为关键的是在保持传统永磁体内嵌式电机优点 的基础上提高了直线电机的容错性能。
[0006] 针对现有电机容错控制技术中存在的不足，以及本发明提出的五相内嵌式混合磁 材料容错圆筒直线电机的特性和该类电机相短路故障特点，本发明目的是克服电机相短路 故障后现有容错策略使用电流滞环控制导致逆变器开关频率杂乱、电机响应速度下降、动 态性能差、电流无法精确跟随、噪声严重的缺点以及现有容错控制算法运算复杂的缺陷，提 出一种用于本发明的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机的高性能短路容错矢量控 制方法，实现该类电机系统在短路故障状态下的高容错性能、高动态性能、电流良好的跟随 性，减小CPU开销，实现逆变器开关频率恒定、降低噪声，便于电磁兼容设计，进而提高本发 明的五相内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机短路故障状态下的动态性能和可靠性。
[0007] 本发明的装置采用如下技术方案来实现：
[0008] -种内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机，包括初级和次级，初级长度小于次级 长度，初级和次级之间有气隙；所述初级包括电枢齿、容错齿和线圈绕组；所述初级均布 2*m个电枢齿和2*m个容错齿，m为电机的相数且m多3 ;电枢齿和容错齿交错间隔排列，初 级每个电枢齿槽中都只放一套圆盘状线圈绕组，而容错齿上没有绕组；其中，第一个电枢齿 两侧的槽内和第2*m+l个电枢齿两侧的槽内放置的集中绕组属于同一相，其余电枢齿两侧 的槽内绕组依次属于其他相；
[0009] 所述次级包括导磁材料和永磁体；采用内嵌方式放置在两块导磁材料之间，每一 对永磁体是由稀土永磁体和铁氧体两种混合磁材料组成，永磁体采用轴向交替充磁方式， 且稀土永磁体和铁氧体轴向宽度相等；每一个相同充磁方向的永磁体由一种永磁材料组 成；或者每一个相同充磁方向的永磁体由两种永磁材料串联或并联组成；永磁体的极与极 之间采用导磁材料隔离；
[0010] 所述电枢齿齿宽Wat和容错齿齿宽Wft等宽，或电枢齿齿宽W at大于等于容错齿齿宽 wft;每一电枢齿以及容错齿上均无调制齿，或者每一电枢齿以及容错齿上均设有调制齿。
[0011] 进一步，所述内嵌式混合磁材料容错圆筒直线电机采用分数槽结构，极槽关系满 足：NS= 2p±2或者Ns= 2p±l。其中，Ns为初级槽数，p为次级极对数。
[0012] 进一步，每一极所述永磁体的形状是一个整体圆筒、或内外两个圆筒嵌套成圆筒、 或上下（或左右）两个圆筒拼接成一个圆筒、或η块瓦片拼接成一个圆筒且η彡2 ;永磁体 圆筒的壁厚小于导磁材料圆筒的壁厚，且永磁体圆筒的内径大于导磁材料圆筒的内径，永 磁体圆筒的外径小于导磁材料圆筒的外径，永磁体圆筒和导磁材料圆筒同轴安装；
[0013] 进一步，所述内嵌式混合磁材料容错直线电机为单边平板结构、或双边平板结构、 或者圆筒型结构，该电机能够作为发电机或者电动机。
[0014] 本发明具有以下有益效果：
[0015] 1、本发明的永磁体采用内嵌方式安装在次级上，结构简单、可靠性高（永磁体不 会因为推力过大而从次级上脱落、牢固性好）、推力大、推力密度高、效率高、恒功率范围宽、 有较大的弱磁调速范围。
[0016] 2、电机初级上电枢绕组采用圆盘状集中绕组，绕线方便且没有端部绕组，减小了 电机电阻和铜耗，且能提高电机效率。每个初级电枢齿两侧的槽里只放置一套绕组，容错齿 上没有绕组，起到了对电机相与相之间的物理隔离，实现了相与相间的电隔离、热隔离以及 磁路解耦，具有很好的容错性能，使其在对可靠性要求比较高的汽车悬架系统等领域中具 有很好的应用前景。通过减小电机容错齿齿宽，能够增大槽面积，从而既提高容错性能，又 提升空间利用率以及提高效率。另外，集中绕组方式和永磁体内嵌放置方式相结合使电机 结构非常紧凑，安装牢固，电机体积减小，功率密度增大，推力密度提高。容错齿和内嵌式永 磁体相结合，解决了容错直线电机推力小的问题。在电枢齿和容错齿上设置调制齿，且将调 制齿和内嵌式永磁体结合使得电机低速时的推力密度进一步提升。
[0017] 3、电机次级采用混合磁材料，用一部分铁氧体代替一部分稀土永磁体，构成四种 不同的混合磁材料结构，一方面大大减少了稀土永磁体的使用量，降低了电机的成本，另一 方面由于永磁体磁能积降低大大减小了电机的涡流损耗，使得电机的效率提高。永磁体采 用轴向交替磁化方式，且和导磁材料交替安装在次级上，永磁体圆筒壁厚小于导磁材料圆 筒壁厚，永磁体圆筒内径大于导磁材料圆筒内径，永磁体圆筒外径小于导磁材料圆筒外径， 且永磁体圆筒和导磁材料圆筒同轴安装，大大降低了相邻N极和S极永磁体之间的漏磁磁 通，提高了永磁材料的利用率。永磁体嵌入式结构、混合磁材料和永磁体圆筒与导磁材料圆 筒之间的尺寸关系及安装方式相结合使直线电机的漏磁大大减小，降低了涡流损耗，提高 了永磁材料的利用率，降低了电机制造成本，提升了电机效率，减小了电机体积，增加了推 力密度。混合磁材料内嵌式结构、永磁体圆筒与导磁材料圆筒之间的尺寸关系及同轴安装 方式与容错相结合使得直线电机具有低成本、高效率、高容错性能、高可靠性、高推力密度 及宽调速范围。
[0018] 4、本发明在保证电机某一相短路故障前后电机输出推力相等的前提下，不但能 有效抑制电机推力波动，而且更为关键的是能使电机容错运行情况下的动态性能、电流跟 随性能和正常状态下的性能一致，并且无需复杂的计算，电压源逆变器开关频率恒定、噪声 低、CPU开销小；任何一相短路故障时，自然坐标系只需逆时针旋转一定角度，就能使电机 容错运行，算法具有一定的通用性。
[0019] 5、采用本发明短路容错矢量控制策略后，该类电机在A相短路故障情况下，容错 运行时，其动态性能、稳态性能和电机正常状态下一样，