一种分布式供电的直线电机驱动系统及控制方法

本发明属于电机驱动领域，具体涉及了一种分布式供电的直线电机驱动系统及控制方法。

背景技术：

1、直线电机是一种定子、动子沿直线排列的电机形式。直线电机在高速运行时定子绕组上会感应出较大的反电动势，直线电机推力与定子电流大小正相关，直线电机速度与供电频率正相关。因此可控大推力直线电机的高速运行需要供电设备具有高额定电压、高额定电流和高开关频率。

2、现有的高速大推力直线电机供电方案主要采用对直线电机分段供电，这种办法将直线电机多个定子绕组进行串联后形成定子段，使用少数几台变频供电设备进行切换供电。这种供电方式的问题在于供电电压高，持续时间长以及供电设备产热大、散热困难。由于以上原因，直线电机速度难以进一步提升。

3、中国发明专利cn202110726555.4所述分布式直线电机推进系统及供电方法中，其供电驱动系统为n个直线电机定子绕组供电共需要2n个电力电子桥臂。中国发明专利cn202310186143.5所述半集中式开绕组永磁同步电机系统的电压控制方法及系统中，其供电驱动系统为n个直线电机定子绕组供电需要n+1个电力电子桥臂，但其运行过程中中性点连接处的复用变流器中的复用桥臂相比其他变流器中桥臂工作时间更长，导致该供电驱动系统具有发热不均衡问题，因此在高速大推力直线电机供电驱动系统中应用受限。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即运行过程中中性点连接处的复用变流器中的复用桥臂相比其他变流器中桥臂工作时间更长，导致该供电驱动系统具有本质上的发热不均衡，以及现有技术的供电方式供电电压高，持续时间长以及供电设备产热大、散热困难的问题。本发明提供了一种分布式供电的直线电机驱动系统及控制方法。

2、本发明的一方面，提供了一种分布式供电的直线电机驱动系统，该系统包括：直线电机定子、直线电机定子绕组、直线电机动子、分布供电装置和直流电源；

3、所述直线电机定子的内表面上等距开设有2cn+2个定子槽，cn个所述直线电机定子绕组按照设定的放置方法放置在所述定子槽内，所述直线电机动子配置在所述直线电机定子绕组的内部；

4、所述分布式供电装置用于为所述直线电机定子绕组提供电流，所述直流电源用于为所述分布供电装置供电；所述分布供电装置包括并联的cn+1个电力电子桥臂。

5、在一些优选的实施方式中，所述定子槽的编号方法为：

6、所述直线电机定子的运动方向包括去程运动和回程运动，以所述去程运动的方向作为第一方向，2cn+2个所述定子槽沿所述第一方向依次升序编号。

7、在一些优选的实施方式中，所述设定的放置方法为：

8、cn个所述直线电机定子绕组中，第k个所述直线电机定子绕组的输入端子tki对应的导线放置在第2k-1个所述定子槽内；

9、第k个所述直线电机定子绕组的输出端子tko对应的导线放置于第2k+2个所述定子槽内；

10、其中，所述k为大于等于1且小于等于cn的整数，cn个所述直线电机定子绕组沿所述第一方向依次升序编号。

11、在一些优选的实施方式中，每个所述电力电子桥臂上均连接有2个电力电子全控开关器件和2个二极管；

12、所述二极管的阴极和所述电力电子全控开关器件的集电极连接，所述二极管的阳极和所述电力电子全控开关器件的发射极连接；

13、所述电子电力全控器件的栅极和所述发射极之间接入控制信号，所述控制信号用于控制所述电子电力全控器件的导通与关断；

14、2个所述电力电子全控开关器件沿所述电力电子桥臂的长度方向排列；cn+1个所述电力电子桥臂中，每一个所述电子电力桥臂的第一电子电力全控开关器件的集电极均与直流电源的正极连接，每一个所述电子电力桥臂的第二电子电力全控开关器件的集电极均与直流电源的负极连接；

15、所述第一电力电子全控开关器件的发射极和所述第二电力电子全控开关器件的集电极连接，并在所述第一电力电子全控开关器件的发射极和所述第二电力电子全控开关器件的集电极连接的导线的中间处引出接线端子bx，所述接线端子bx与所述直线电机定子绕组的输入端子tki和所述直线电机定子绕组的输出端子tko连接；

16、其中，所述x为第x个电力电子桥臂，所述x为大于等于1且小于等于cn+1的整数。

17、在一些优选的实施方式中，所述接线端子bx与所述直线电机定子绕组的输入端子tki和所述直线电机定子绕组的输出端子tko连接，其连接方式为：

18、将所述直线电机定子绕组的输入端子t[p+(m-1)c]i连接到所述接线端子b[(p-1)n+m]上；

19、将所述直线电机定子绕组的输出端子t[p+(m-1)c]o连接到所述接线端子b[(p-1)n+m+1]上；

20、其中，所述m为大于等于1且小于等于n的整数，p为大于等于1且小于等于c的整数。

21、本发明的另一方面，提供了一种分布式供电直线电机驱动控制方法，基于一种分布式供电的直线电机驱动系统，该方法包括：

22、通过控制所述分布供电装置的电力电子开关器件，向所述直线电机动子的编号为第y+1到第y+c个直线电机定子绕组的输入端子通入电流；其中，所述y是大于等于0，小于等于c(n-1)的整数，所述y的初始值为0；

23、当所述直线电机动子沿着第一方向运动使得所述直线电机动子进入到其他所述直线电机定子绕组的覆盖范围时，将所述y的值增加1，停止向第y个所述直线电机定子绕组通入电流，向第y+c+1个所述直线电机定子绕组通入电流。

24、在一些优选的实施方式中，所述直线电机定子绕组的通入电流为正弦形式交流电，沿着所述第一方向，每个所述直线电机定子绕组通入的电流相位依次减少120°相位。

25、在一些优选的实施方式中，直线电机的气隙中产生行波磁场，用于驱动所述直线电机动子运动。

26、本发明的有益效果：

27、(1)本专利所述直线电机特点为每套相绕组中含有多个绕组单元，这些绕组单元的输入、输出端子均打开，可以控制每个单元绕组中电流方向及大小。这种直线电机绕组连接方式通过减少每套直线电机定子绕组中串联绕组单元的个数，降低了供电系统中直流储能环节的电压等级，降低了直线电机自身相间绝缘需求，适合直线电机的扩速运行。

28、(2)本发明所述分布式供电驱动系统，相比于传统的h桥全分布式或半集中式供电驱动系统结构，在保证供电电压和输出电压不变的情况下，为n个直线电机定子绕组供电时仅需要n+1个电力电子桥臂，且给定工作频率下各个桥臂工作时间均等，显著减少了电力电子器件的使用并平衡了各个桥臂的发热，增加了系统的经济性和可靠性。

29、(3)本专利中所有电力电子桥臂在一定的电流频率下工作时长均等，散热均匀，有利于直线电机扩速运行。

技术特征：

1.一种分布式供电的直线电机驱动系统，其特征在于，该系统包括：直线电机定子、直线电机定子绕组、直线电机动子、分布供电装置和直流电源；

2.根据权利要求1所述的一种分布式供电的直线电机驱动系统，其特征在于，所述定子槽的编号方法为：

3.根据权利要求2所述的一种分布式供电的直线电机驱动系统，其特征在于，所述设定的放置方法为：

4.根据权利要求3所述的一种分布式供电的直线电机驱动系统，其特征在于，每个所述电力电子桥臂上均连接有2个电力电子全控开关器件和2个二极管；

5.根据权利要求4所述的一种分布式供电的直线电机驱动系统，其特征在于，所述接线端子bx与所述直线电机定子绕组的输入端子tki和所述直线电机定子绕组的输出端子tko连接，其连接方式为：

6.一种分布式供电直线电机驱动控制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的一种分布式供电的直线电机驱动系统，该方法包括：

7.根据权利要求6所述的一种分布式供电直线电机驱动控制方法，其特征在于，所述直线电机定子绕组的通入电流为正弦形式交流电，沿着所述第一方向，每个所述直线电机定子绕组通入的电流相位依次减少120°相位。

8.根据权利要求7所述的一种分布式供电直线电机驱动控制方法，其特征在于，直线电机的气隙中产生行波磁场，用于驱动所述直线电机动子运动。

技术总结
本发明属于电机驱动领域，具体涉及了一种分布式供电的直线电机驱动系统及控制方法，旨在解决现有技术中的供电方式供电电压高，持续时间长以及供电设备产热大、散热困难的问题。本发明的直线电机定子的内表面上等距开设有定子槽，直线电机定子绕组按照设定的放置方法放置在定子槽内，直线电机动子配置在直线电机定子绕组的内部，并沿直线电机定子绕组的排列方向运动；分布式供电装置用于为直线电机定子绕组提供电流，直流电源用于为分布供电装置供电；所述分布供电装置包括并联的电力电子桥臂。本发明降低了供电系统中直流储能环节的电压等级，降低了直线电机自身相间绝缘需求，增加了系统的经济性和可靠性，有利于直线电机扩速运行。

技术研发人员：许泽昊,李子欣,李耀华,徐飞,高范强,史黎明
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15