一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機及其控制方法。將磁懸浮理論引入到磁通切換型永磁直線同步電機的設(shè)計及控制中，從電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與先進控制策略一體化綜合分析，在電機設(shè)計時，保證電機永磁磁場產(chǎn)生的引力和電機動子的重力相平衡或者接近平衡，在控制中通過重力加速度傳感器測量電機動子重力變化，通過對電機電流的勵磁分量進行H∞魯棒控制來實現(xiàn)對永磁磁場的増磁或去磁，使其直線電機的法向力（懸浮力）和電機動子重力平衡，消除電機運行中摩擦。在軌道交通等長定子應用場合，該電機既能集成直線感應電機，結(jié)構(gòu)簡單、成本低與永磁直線電機功率密度高、效率高，又能夠從根本上解決運行中的摩擦問題。
【專利說明】一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于長行程軌道交通領(lǐng)域，具體涉及磁懸浮列車用磁通切換型永磁直線同步電機的設(shè)計及控制領(lǐng)域。磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機，將磁懸浮技術(shù)引入到磁通切換型永磁直線同步電機設(shè)計及其控制方法中將使其應用于軌道交通等長定子應用場合的應用時既能集成直線感應電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低與永磁直線電機功率密度高、效率高，又能夠從根本上運行中的摩擦問題。
【背景技術(shù)】
[0002]磁通切換型(flux switching)永磁直線同步電機的永磁體和電樞繞組都安置在短初級動子上，其次級結(jié)構(gòu)簡單，僅由導磁鐵心組成，集成了直線感應電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低與功率密度高、效率高、功率因數(shù)高等一些列優(yōu)點，特別適用于長定子應用場合，國內(nèi)外學者對其進行了廣泛的研究，取得了相應的成果。
[0003]磁懸浮技術(shù)是起源于德國，早在1922年德國工程師赫爾曼.肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請了磁懸浮列車的專利。上世紀70年代以后，隨著世界工業(yè)化國家經(jīng)濟實力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應其經(jīng)濟發(fā)展的需要，德國、日本、美國、加拿大、法國、英國等發(fā)達國家相繼開始籌劃進行磁懸浮運輸系統(tǒng)的開發(fā)。我國自90年代初開始有組織地進行了磁浮鐵路的研究發(fā)展工作和調(diào)研論證工作，形成了鐵道科學研究院、西南交通大學、國防科技大學、中國科學院電工所4個小組，在低速方面做出了一些有意義的成績，在高速方面進行過較為深入的調(diào)研論證，但總起來說，力量與基礎(chǔ)仍十分薄弱。目前，磁懸浮原理除了磁懸浮列車上的應用，在磁懸浮軸承、磁懸浮平面電機以及數(shù)控機床高精度永磁直線電機進給等場合的應用也得到了國內(nèi)外學者的重視。
[0004]如果能將磁懸浮原理引入到磁通切換型永磁直線電機中，即利用電機的永磁磁場，合理地控制電機電流的勵磁分量對永磁磁場進行増磁或者去磁，使電機的法向力(磁懸浮力)與電機動子的重力平衡，實現(xiàn)電機動子的穩(wěn)定懸浮，將不僅能保持磁通切換型永磁直線同步電機的優(yōu)點，而且能從根本上解決電機運行中的摩擦問題，能在提高電機性能的同時降低后期的維護成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明提供一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機及其控制方法，其目的在于解決磁通切換型永磁直線同步電機電機動子的穩(wěn)定懸浮問題，消除了電機運行中的摩擦。
[0006]技術(shù)方案:
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機，其特征在于:包括有兩個磁通切換型永磁直線同步電機，一個動子支撐殼體、一個定子支撐組成；每個磁通切換型永磁直線同步電機又都由長定子鐵心、動子鐵心、動子繞組，永磁體以及動子和定子之間的空隙，即氣隙高度組成；一個定子支撐支撐著兩個相同的兩個長定子鐵心，一個動子支撐殼體連接兩個相同的磁通切換型永磁同步電機的兩個動子；定子支撐體上有滑道，動子支撐殼體上有滑塊；動子支撐殼體上安裝動子鐵心，動子鐵心里間隔著嵌著N極、S極永磁體，動子鐵心連同永磁體外纏繞著動子繞組。
[0007]將磁懸浮原理引入到磁通切換型永磁直線電機中，實現(xiàn)電機的無摩擦運行；該電機由兩個磁通切換型永磁直線同步電機組成，每個磁通切換型永磁直線同步電機沒有單獨的懸浮繞組，僅有一套動子繞組。
[0008]從電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與先進控制策略一體化綜合分析，得到一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機及其控制方法，在電機設(shè)計時選擇氣隙高度時，綜合考慮電機的機械可靠性、有效材料的利用、電機的電抗參數(shù)，還要考慮到電機動子的重力，穩(wěn)定懸浮所需的法向力因素。
[0009]一種如上所述的磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機的豎直方向穩(wěn)定懸浮控制方法，其特征在于:在對其進行穩(wěn)定懸浮控制時，通過對動子繞組中的電流進行解耦控制實現(xiàn)電機豎直方向穩(wěn)定懸浮，沿長定子方向水平穩(wěn)定運行；通過重力加速度傳感器，獲得電機動子重力的變化，確定需要永磁體產(chǎn)生的永磁磁場進行增磁或者弱磁來確定給定電機的勵磁電流分量，然后通過H 控制算法實現(xiàn)對電機勵磁電流的控制，從而控制電力法向力的大小，使其和電機動子重力平衡，實現(xiàn)動子穩(wěn)定懸浮；在實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的基礎(chǔ)上，對電機電流的q軸分量進行控制，實現(xiàn)電機動子沿著長定子方向水平穩(wěn)定運行。
[0010]優(yōu)點效果:本發(fā)明將磁懸浮技術(shù)引入到磁通切換型永磁直線同步電機的設(shè)計和控制中，從電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與先進控制策略一體化綜合分析，得到一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機的設(shè)計及控制方法，該方法在保留了磁通切換型永磁直線同步電機在長行程應用場合具有的、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功率密度高、效率高、功率因數(shù)高等一些列優(yōu)點的基礎(chǔ)上，通過磁懸浮技術(shù)引入，解決了磁通切換型永磁直線同步電機電機動子的穩(wěn)定懸浮問題，消除了電機運行中的摩擦。
[0011]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明磁通切換型磁懸浮永磁同步電機三維結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明磁通切換型磁懸浮永磁同步電機的正視圖；
圖3為本發(fā)明磁通切換型磁懸浮永磁同步電機的剖面圖；
圖4為本發(fā)明磁通切換型磁懸浮永磁同步電機控制系統(tǒng)的原理示意圖；
圖中:1.長定子鐵心；2.動子鐵心；3.動子繞組；4.動子永磁體；5.氣隙高度(懸浮高度)6.支撐殼體；7.長定子支撐體；8.滑道；9.滑塊。
[0012]【具體實施方式】:
本發(fā)明的總體思路是:本發(fā)明將磁懸浮理論引入到磁通切換型永磁直線同步電機的設(shè)計和控制中，從電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與先進控制策略一體化綜合分析，得到一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機的設(shè)計及控制方法。具體內(nèi)容以下幾條:
(I)磁通切換型磁懸浮永磁直線電機的優(yōu)化設(shè)計
在電機設(shè)計時考慮電機永磁磁場產(chǎn)生的引力和電機動子的重力相平衡或者接近平衡，這樣就不用或者少用電機電流的勵磁分量對磁場進行作用，電機電流就可以全部用來或者大部分用來產(chǎn)生電磁推力，從而提高電機的效率和功率因數(shù)。因此，針對本電機確定電機的氣隙高度等關(guān)鍵參數(shù)，綜合考慮電機的機械可靠性、有效材料(主要指永磁體)的利用、電機的電抗參數(shù)，還要考慮到電機動子的重力，穩(wěn)定懸浮所需的法向力(懸浮力)等因素確定電機的氣隙高度。
[0013](2)磁通切換型磁懸浮永磁直線電機法向力的控制策略。
[0014]借助矢量控制的概念，通過坐標變換，將電機的數(shù)學模型變換到按永磁磁場定向的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下，實現(xiàn)定子電流勵磁分量和推力分量的解耦。分別對電機電流的勵磁分量和推力分量進行控制，實現(xiàn)動子穩(wěn)定懸浮和保證磁通切換型磁懸浮永磁同步電機穩(wěn)定運行。為了保證電機由于負載變化等引起的動子質(zhì)量變化時，仍能穩(wěn)定懸浮，保證電機的正常運行，設(shè)計了抑制干擾能力強的H00魯棒控制器。H00魯棒控制算法描述如下:
設(shè)系統(tǒng)的觀測量等于系統(tǒng)的狀態(tài)變量，
y=x
增廣被控對象滿足特定條件的前提下，直接基于Riccati不等式的設(shè)計方法并只給出HJ欠優(yōu)設(shè)計問題的一個特解(A1 = A2 =O )。
[0015]設(shè)增廣被控對象的狀態(tài)空間實現(xiàn)為
【權(quán)利要求】
1.一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機，其特征在于:包括有兩個磁通切換型永磁直線同步電機，一個動子支撐殼體(6)、一個定子支撐(7)組成；每個磁通切換型永磁直線同步電機又都由長定子鐵心(I)、動子鐵心(2)、動子繞組(3)，永磁體(4)以及動子和定子之間的空隙，即氣隙高度(5)組成；一個定子支撐(7)支撐著兩個相同的兩個長定子鐵心(1)，一個動子支撐殼體(6)連接兩個相同的磁通切換型永磁同步電機的兩個動子；定子支撐體上有滑道(8)，動子支撐殼體上有滑塊(9);動子支撐殼體(6)上安裝動子鐵心(2)，動子鐵心(2)里間隔著嵌著N極、S極永磁體(4)，動子鐵心(2)連同永磁體(4)外纏繞著動子繞組(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機，其特征在于將磁懸浮原理引入到磁通切換型永磁直線電機中，實現(xiàn)電機的無摩擦運行；該電機由兩個磁通切換型永磁直線同步電機組成，每個磁通切換型永磁直線同步電機沒有單獨的懸浮繞組，僅有一套動子繞組(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機，其特征在于:從電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與先進控制策略一體化綜合分析，得到一種磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機及其控制方法，在電機設(shè)計時選擇氣隙高度(5)時，綜合考慮電機的機械可靠性、有效材料的利用、電機的電抗參數(shù)，還要考慮到電機動子的重力，穩(wěn)定懸浮所需的法向力因素。
4.一種如權(quán)利要求1所述的磁通切換型磁懸浮永磁直線同步電機的控制方法,其特征在于:在對其進行穩(wěn)定懸浮控制時，通過對動子繞組(3)中的電流進行解耦控制實現(xiàn)電機豎直方向穩(wěn)定懸浮，沿長定子方向水平穩(wěn)定運行；通過重力加速度傳感器，獲得電機動子重力的變化，確定需要永磁體產(chǎn)生的永磁磁場進行增磁或者弱磁來確定給定電機的勵磁電流分量，然后通過H00控制算法實現(xiàn)對電機勵磁電流的控制，從而控制電力法向力的大小，使其和電機動子重力平衡，實現(xiàn)動子穩(wěn)定懸浮；在實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的基礎(chǔ)上，對電機電流的q軸分量進行控制，實現(xiàn)電機動子沿著長定子方向水平穩(wěn)定運行。
【文檔編號】H02N15/00GK103856112SQ201210497711
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】張志鋒, 白保東, 趙國新 申請人:沈陽工業(yè)大學