一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法技术

本发明专利技术公开了一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，当六相永磁电机采用全桥供电方式时，若发生缺相故障，那么电机缺相运行下的振动性能急剧恶化。其中，缺相故障类型包括单相缺相、相邻两相缺相、非相邻两相缺相以及至多三相缺相，为抑制电机发生缺相故障后电机的振动响应恶化，针对不同的缺相故障类型下剩余相合成磁动势中的反转磁动势情况，重构剩余相磁动势，调整剩余相电流从而维持振动响应的正常。与传统的缺相故障容错电流算法相比，本发明专利技术主要解决了六相永磁同步电机缺相故障运行过程中存在的振动响应恶化的问题。同时，在改善缺相故障下电机的振动性能的同时，保证了电机缺相故障下的转矩性能。保证了电机缺相故障下的转矩性能。保证了电机缺相故障下的转矩性能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法


[0001]本专利技术涉及到一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，属于航空航天、电动汽车、船舶舰艇等多相永磁电机低振动、高可靠驱动


技术介绍

[0002]六相永磁电机相比于传统的三相永磁电机在驱动自由度上具有更显著的优势，采用多相驱动方案不仅可以提升输出转矩性能，还可以在电机发生缺相故障时通过调整容错算法重构剩余相磁动势，从而维持电机缺相故障下的转矩输出能力。因此，多相永磁电机越来越广泛的应用在航空航天、电动汽车、船舶舰艇等需要高可靠、低振动的应用场合。但是，目前的缺相故障容错电流算法仅关注如何提升故障运行下的电机转矩品质，或者是维持缺相故障运行下电机散热温升的稳定。这些容错控制方法并未考虑缺相故障容错运行下电机的振动性能。恶化的振动性能会损害电机轴承寿命，甚至破坏电机系统的稳定性。因此，在保证电机发生缺相故障下容错运行的同时，如何设计出一种低振动容错电流计算方法就成了亟待解决的难题。
[0003]文献Third harmonic current injection in fault
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tolerant five
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phase permanent
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magnet motor drive[J].IEEE Transactions on Power Electronics,vol.33,no.8,pp.6970
‑
6979,Aug.2018.提出了一种缺相故障后剩余相容错电流三次谐波注入的方法来改善转矩脉动情况，但是该方法注入了新的电流谐波，不可避免会引入新的绕组磁动势谐波，从而恶化电机容错状态下的振动性能，因此不能实现转矩性能和振动性能的共同优化。
[0004]中国专利技术专利公开号CN113364364A授权了一种转矩波动可调的六相永磁电机开路故障容错控制方法，该专利技术解决了六相永磁电机在开路故障下出现的转矩降额与转矩波动在面向不同动力需求时的均衡补偿问题。但是该容错电流波形中，重构容错相电流对称性较差，电流幅值大小不一致，不能实现基波反转磁动势的完全抵消从而不能最大程度的抑制零阶振动，改善容错运行下的振动性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了改进现有六相永磁电机容错控制技术的不足，提出了一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，该方法规范性强，适用于不同槽极配合下的六相永磁电机，当电机缺相故障运行后采用本容错电流计算方法，电机振动性能改善显著。此外，该结构还可以进一步优化缺相故障后的转矩脉动，优化电磁性能，兼顾了振动抑制和转矩性能改善，大大提升了电机缺相故障运行的平稳性。
[0006]本专利技术是采用以下的技术方案来实现的：一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，具体步骤如下：
[0007]步骤1，建立电机电磁仿真模型，仿真六相永磁电机额定工况健康运行下的转矩、磁动势分布和径向力分布，检测电机的振动响应；
[0008]步骤2，划分六相永磁电机不同缺相故障类型，分别仿真电机各缺相故障后的转矩及磁动势分布，仿真计算不同缺相故障类型下的径向力分布，仿真验证电机不同缺相故障类型下运行时的振动响应情况；
[0009]步骤3，根据不同故障类型下的磁动势分布差异，设计重构各缺相故障类型下的剩余相合成磁动势；
[0010]步骤4，根据剩余相合成磁动势重构方案，确定剩余相电流相位角，求解出低振动容错电流表达式；
[0011]步骤5，代入已经计算出的低振动容错电流表达式，仿真容错运行下的径向力分布，仿真验证容错运行下的振动响应改善情况。
[0012]本专利技术具有以下收益效果：
[0013]1、本专利技术的应用对象为六相永磁电机，永磁电机具有高效率、高功率密度、低振动等独特优势，近年来在航空航天、电动汽车、船舶舰艇等应用场合中得到了广泛的应用；与此同时，采用多相绕组结构提升了驱动控制自由度，增强了电机运行的可靠性。
[0014]2、本专利技术电机的驱动方式采用全桥驱动结构，实现了各相绕组控制之间的电气隔离，保证了某一相及某几相发生缺相故障后，其余相绕组电流相位不受到影响，这对于多相永磁电机的容错控制实施非常有益。
[0015]3、本专利技术中针对多种缺相故障类型进行容错电流计算方法设计，适用多种缺相故障类型。具体包括单相缺相故障，相邻两相缺相故障，非相邻两相缺相故障，三相缺相故障这四种类型。
[0016]4、本专利技术中针对缺相故障所设计的容错电流驱动方法，实现容错运行下的振动性能最优，保障了电机缺相故障下的运行稳定性。
[0017]5、本专利技术中针对缺相故障所设计的容错电流驱动方法，输出转矩脉动相比缺相故障运行下的转矩脉动有非常明显的改善效果。
[0018]6、本专利技术中电机在低振动容错电流驱动运行下，其输出转矩平均值和其所对应的缺相故障运行下的输出转矩平均值一致，实现了电机输出转矩能力的稳定。
[0019]综上，本专利技术的一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，不仅可以应用在多种缺相故障类型中，改善了多相永磁电机容错运行下的振动性能，还兼顾了改善缺相故障下转矩脉动，保证了缺相故障下的转矩输出能力，克服了传统缺相故障容错电流计算方法应用效果单一的局限性。
附图说明
[0020]图1为本专利技术中六相永磁电机电磁有效部分结构图；
[0021]图2为本专利技术中六相永磁电机空间相矢量分布图；
[0022]图3为本专利技术中六相永磁电机外驱动电路结构图；
[0023]图4为本专利技术中六相永磁电机健康运行下的额定转矩波形图；
[0024]图5为本专利技术中六相永磁电机健康运行下的绕组磁动势傅里叶分解图；
[0025]图6为本专利技术中六相永磁电机健康运行下的振动加速度分布图；
[0026]图7(a)(b)(c)(d)为本专利技术中六相永磁电机低振动容错电流应用前后的额定转矩波形图；
[0027]图8为本专利技术中六相永磁电机低振动容错电流应用前后的电枢基波反转磁动势标幺值对比图；
[0028]图9为本专利技术中六相永磁电机低振动容错电流应用前后的零阶径向力大小对比图；
[0029]图10(a)(b)(c)(d)为本专利技术中针对不同缺相故障的六相永磁电机低振动容错电流波形图；
[0030]图11(a)(b)(c)(d)为本专利技术中低振动容错电流应用前后的振动加速度效果对比图；
[0031]图12为本专利技术一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法；
[0032]图中：1
‑
定子绕组，2
‑
定子铁心，3
‑
转子铁心，4
‑
转子永磁体。
具体实施方式
[0033]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，建立电机电磁仿真模型，仿真六相永磁电机额定工况健康运行下的转矩、磁动势分布和径向力分布，检测电机的振动响应；步骤2，划分六相永磁电机不同缺相故障类型，分别仿真电机各缺相故障后的转矩及磁动势分布，仿真计算不同缺相故障类型下的径向力分布，仿真验证电机不同缺相故障类型下运行时的振动响应情况；步骤3，根据不同故障类型下的磁动势分布差异，设计重构各缺相故障类型下的剩余相合成磁动势；步骤4，根据剩余相合成磁动势重构方案，确定剩余相电流相位角，求解出低振动容错电流表达式；步骤5，代入已经计算出的低振动容错电流表达式，仿真容错运行下的径向力分布，仿真验证容错运行下的振动响应改善情况。2.根据权利要求1所述的一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，其特征在于，所述的六相永磁电机采用全桥驱动方式进行各相供电，具有高电气隔离性，利于电机故障下的容错控制，永磁电机包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心以及永磁体，定子铁心、转子铁心材料为硅钢片，永磁体材料为高剩磁钕铁硼材料，永磁体排列方式可采用磁极表贴式或内置式结构。3.根据权利要求1所述的一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，其特征在于，所述步骤1中，额定工况健康运行下的转矩、磁动势分布和径向力分布仿真采用电磁有限元仿真软件进行数值法计算；对于六相永磁电机，健康运行下对振动起主要贡献的径向力分量为极对数阶2倍频径向力；健康运行下的磁动势表示为电机的基波绕组函数和电流函数的乘积，其中，电机的基波绕组函数表示为：电机的电流函数表示为：电机的单相基波磁动势函数表示为：以及电机的合成磁动势函数表示为：其中，n
A,B,C
…
(θ)为A相到F相的基波绕组函数，N表示定子绕组匝数，C
p
表示基波绕组函数计算系数，p表示转子极对数，k表示A相到F相的数字表征，A相到F相分别错开60
°
，120
°
，180
°
，240
°
，300
°
以及360
°
空间相位角；i
A,B,C
…
为A相到F相的电流函数，θ表示机械位置角，I
m
表示电流幅值，ω表示电角速度；f0为六相合成磁动势，f
k
表示单相基波绕组磁动势，其中前半部分表示基波正转磁动势分量，后半部分表示基波反转磁动势分量。4.根据权利要求1所述的一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，其特征在于，所述步骤1中振动响应主要是振动加速度响应，检测电机的振动响应具体步骤如下：步骤1.1，对已建立的有限元电机模型进行仿真求解，采集所得的电机定子齿面径向力数据；步骤1.2，利用结构有限元计算软件，仿真电机的结构有限元模态参数，获取电机的各阶次模态自然频率数据；步骤1.3，在电机谐响应计算软件中，导入已知的径向力数据和有限元模态参数，耦合计算电机的振动加速度响应，验证径向力和振动加速度的作用关系，明确对振动加速度起主要作用的径向力成分。5.根据权利要求1所述的一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，其特征在于，所述步骤2中，仿真电机各缺相故障后的转矩及磁动势分布采用电磁有限元仿真软件进行数值法计算，比较不同缺相故障下，基波正转磁动势值以及平均转矩值大小，其中，缺相故障下电机的基波正转磁动势值以及平均转矩表达式为：其中，f
fau_forward
表示缺相故障后的基波正转磁动势值，f
0_forward
表示健康运行下基波正转磁动势值，T
fault
表示缺相故障后的平均转矩值，T
e
表示健康运行下额定转矩值，m表示缺相故障相数。6.根据权利要求1所述的一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，其特征在于，所述步骤2中不同缺相故障类型下的径向力分布为：缺相故障类型包括单相缺相故障，相邻两相缺相故障，非相邻两相缺相故障，三相缺相故障这四种类型；其中单相缺相、相邻两相缺相故障和非相邻两相缺相故障下会产生基波反转磁动势分量，依据麦克斯韦应力方程，该分量与正转磁动势相互作用产生的径向力谐波成分会改变原先的径向力分布，激发零阶振动从而恶化振动响应；三相缺故障相情况较为特别，共计有八种组合下的三相缺相故障不会产生基波反转磁动势分量，这八种三相缺相组合下振动响应不会恶化，其余十二种三相缺相情况下，可产生基波反转磁动势，进而恶化振动响应；不产生基波反转磁动势分量的8中三相缺相组合为：表1不产生基波反转磁动势分量的8中三相缺相组合(A相,B相,C相)(A相,B相,F相)(A相,E相,C相)(A相,E相,F相)(D相,B相,C相)(D相,B相,F相)(D相,E相,C相)(D相,E相,F相)7.根据权利要求1所述的一种用于六相永磁电机缺相故障的低振动容错电流计算方法，其特征在于，所述步骤2中电机不同缺相故障类型下运行时的振动响应具体为：零阶径向力激发出的零阶振动主要贡献了电机缺相故障下的振动响应，具体表现为，单位零阶径向力所激发的零阶振动位移相比原先的单位最低阶径向力激发的振动位移比
值为：其中，Y
s＝0
表示零阶振动位移，Y
s＝2p
表示最低阶径向力激发的振动位移，R
y
表示定子轭平均半径，T
y
表示定子轭平均厚度；不同类型缺相故障下的磁动势分布分成四种情况进行计算，由于各相绕组在空间上均匀对称分布，因此四种缺相故障可分别选取典型工况进行磁动势求解计算，具体表现为：若A相缺相来代表单相缺相故障，其合成磁动势表示为...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉敬华，周云瀚，赵文祥，陶涛，朱生道，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：