軸向磁通切換混合勵磁電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)

劉細(xì)平 左亮平 刁艷美 易 靚

（江西理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 贛州 341000）

1 引言

定子分割式軸向磁通切換型混合勵磁同步電機(jī)（Stator-Separated Axial Flux-Switching Hybrid Excited Synchronous Machine, SSAFSHEM）是一種新型磁通可調(diào)式定子永磁型電機(jī)，轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無任何繞組[1]，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，冷卻方便。該電機(jī)綜合混合勵磁電機(jī)[2]與軸向磁通切換電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的對稱調(diào)磁能力，可克服因負(fù)載或轉(zhuǎn)速隨機(jī)性較強(qiáng)而導(dǎo)致永磁同步電機(jī)端電壓不穩(wěn)定的缺點(diǎn)[3]，又可抵御高溫下轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)的退磁風(fēng)險，同時電機(jī)具有一定的故障滅磁能力，可進(jìn)一步提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

本文首先分析 SSAFSHEM 電機(jī)的結(jié)構(gòu)和磁場調(diào)節(jié)機(jī)理，并推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型；以此建立SSAFSHEM電機(jī)本體、勵磁電流控制器和功率變換器的一體化仿真模型[4,5]；開展電機(jī)本體及勵磁控制系統(tǒng)等相關(guān)仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)和磁場調(diào)節(jié)機(jī)理

2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖 1所示為 SSAFSHEM電機(jī)結(jié)構(gòu)模型及制作樣機(jī)。定子鐵心由12個H形單元定子鐵心拼裝而成，中間嵌入12塊切向交替充磁的永磁體，由隔磁環(huán)將其分為磁路相互獨(dú)立的內(nèi)外兩部分；電樞繞組周向分布在由永磁塊和勵磁支架隔開的相鄰定子槽中；盤式轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子極和轉(zhuǎn)子磁軛組成；勵磁繞組軸向纏繞在勵磁支架上，電機(jī)內(nèi)磁場呈軸向分布，為一種無刷交流電機(jī)[6]。

圖1 12/10極電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural of 12/10 SSAFSHEM

2.2 磁場調(diào)節(jié)機(jī)理

圖2所示為SSAFSHEM電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)機(jī)理。根據(jù)磁路磁阻最小的原理，絕大部分磁通由N極出發(fā)，經(jīng)H形單元定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子磁軛、相鄰轉(zhuǎn)子齒、氣隙、相鄰的H形單元定子鐵心，再回到S極；其中單箭頭所指路徑為永磁磁通回路，雙箭頭所指路徑為電勵磁磁通回路。

當(dāng)勵磁磁通與永磁磁通路徑相同時，電機(jī)工作在增磁狀態(tài)，氣隙磁通Φδ、永磁磁通Φpm和電勵磁磁通三者之間的關(guān)系為：Φδ=Φe+Φpm；當(dāng)勵磁磁通路徑與永磁磁通相反時，電機(jī)工作在弱磁狀態(tài)：Φδ=Φpm-Φe。因此通過調(diào)節(jié)勵磁電流，可實(shí)現(xiàn)磁場的靈活調(diào)節(jié)。

圖2 磁場調(diào)節(jié)機(jī)理Fig.2 Adjustment principle of magnetic field

3 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

3.1 電壓平衡方程

由于電機(jī)同時具有永磁和電勵磁兩個磁動勢源，電機(jī)數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，但其工作原理仍然符合能量守恒定律、磁路定律、電路定律、牛頓定律等基本電工理論定律[8-10]。

電機(jī)定子電樞繞組電壓電流正方向按發(fā)電機(jī)慣例，根據(jù)基爾霍夫第二定律和電磁感應(yīng)定律[11-15]可知

式中ua——定子電樞繞組相電壓；

uf——勵磁繞組電壓；

ra——定子電樞繞組電阻，在三相定子電樞完全對稱的情況下，ra=rb=rc=r，其他兩相相電壓公式與上式類似；

rf——勵磁繞組電阻。

3.2 磁鏈方程

相繞組的磁鏈ψph分為五部分：三相繞組電流和勵磁電流產(chǎn)生的磁通分別與該相繞組匝鏈形成的磁鏈、永磁磁鏈[7]為

式中ψp，ψf——相繞組的磁鏈和勵磁繞組的磁鏈；

ψpmp——相繞組的永磁磁鏈；

ip,if——相繞組電流和勵磁電流；

Lp,Lf——相繞組自感和勵磁繞組自感；

Mpa,Mpb,Mpc——相繞組間的互感；

Lfp，Lpf——相繞組與勵磁繞組間的互感。

3.3 電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩方程

A相瞬時電磁功率：Sa=-eaia；不計(jì)鐵耗和機(jī)械損耗，發(fā)電機(jī)吸收的機(jī)械功率為

電磁轉(zhuǎn)矩為

式中ωr——機(jī)械角速度；

ω——電角速度，ω=pωr。

3.4 轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動方程

式中J——轉(zhuǎn)動慣量；

Tm——機(jī)械轉(zhuǎn)矩；

F——阻力系數(shù)。

4 電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)仿真建模

4.1 勵磁控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖3為電機(jī)勵磁系統(tǒng)原理框圖，控制系統(tǒng)主要由電機(jī)本體、功率變換主電路、電勵磁功率變換電路、勵磁電流調(diào)節(jié)器、驅(qū)動電路和電壓比較器等部分組成。功率變換電路由不可控橋式整流電路和濾波電容組成；電勵磁功率變換電路為四個MOSFET管組成的H橋式逆變電路，可向勵磁繞組施加極性和大小可調(diào)的直流電壓，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。

圖3 電機(jī)勵磁系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Diagram of excitation system

4.2 恒壓勵磁控制系統(tǒng)仿真建模

采用模塊化和功能化的方法將圖3中各個模塊轉(zhuǎn)換為仿真中各功能獨(dú)立的子系統(tǒng)，即電機(jī)本體、功率變換主電路、勵磁電流調(diào)節(jié)器等子系統(tǒng)。結(jié)合電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和有限元分析得到的電樞繞組及勵磁繞組電感等電磁參數(shù)建立電機(jī)本體模型。下表給出部分 SSAFSHEM 電機(jī)結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)，仿真中參數(shù)設(shè)置與實(shí)際值基本一致。

表 部分SSAFSHEM電機(jī)結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)Tab. Partial structure and electromagnetic parameters of SSAFSHEM

5 仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究

5.1 電機(jī)本體仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真參數(shù)為轉(zhuǎn)子極數(shù)pr=10，相電樞繞組電阻Ra=5.2Ω，勵磁繞組電阻Rf=13Ω，額定轉(zhuǎn)速nr=400r/min。圖4a為電機(jī)空載三相相電壓仿真波形，電壓幅值約為15V。圖4b為實(shí)測波形，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致。

圖4 空載三相電壓波形Fig.5 Waveforms of no-load three phase voltage

電機(jī)轉(zhuǎn)速為400r/min時向勵磁繞組中分別施加-3A、0A、3A直流電流，通過相電壓的變化觀察其調(diào)磁效果。圖5a、5b分別為仿真和實(shí)測結(jié)果，相電壓變化明顯，調(diào)磁效果較好。

圖5 不同勵磁電流時相電壓變化波形Fig.5 Phase voltage under changed exciting current

5.2 恒壓發(fā)電控制系統(tǒng)分析和實(shí)驗(yàn)研究

在建立電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)仿真平臺的基礎(chǔ)上，搭建基于TMS320F2812+STC12C5A60S2架構(gòu)的控制器實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行與仿真相對應(yīng)的勵磁控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置與仿真參數(shù)基本相同，圖 6為SSAFSHEM 勵磁控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，包括控制器、樣機(jī)、交流永磁伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、直流電子負(fù)載、單相調(diào)壓器、電流鉗以及示波器等測試儀器?？刂破饔蒁SP控制板、電機(jī)功率變換電路、電勵磁驅(qū)動板和鍵盤顯示電路等構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)樣機(jī)三相電的整流、負(fù)載電壓采樣、算法處理和勵磁電流輸出；伺服驅(qū)動器控制原動機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的突變，直流電子負(fù)載可實(shí)現(xiàn)負(fù)載的突變。

圖6 勵磁控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Experimental system of excitation control

仿真和實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中采用積分分離 PI算法改善電機(jī)的動態(tài)特性。當(dāng)電壓偏差小于積分相閾值電壓時P、I同時作用，當(dāng)偏差大于閾值電壓時只讓P進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)響應(yīng)加快，避免系統(tǒng)過大超調(diào)，使系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)指標(biāo)。仿真和實(shí)驗(yàn)中設(shè)定閾值電壓為5V。

5.2.1 負(fù)載變化情況

仿真過程中：轉(zhuǎn)速維持400r/min不變，參考電壓設(shè)定為16V。采用開關(guān)切換負(fù)載，負(fù)載電流從0.8A減小到 0.55A后突增加至 1.05A。負(fù)載突變時，負(fù)載電壓超調(diào) 1V左右，為穩(wěn)定電壓值的 6.25%，經(jīng)2s后穩(wěn)定在 16V，系統(tǒng)響應(yīng)速度快且穩(wěn)態(tài)精度高。圖7給出負(fù)載變化條件下仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7 負(fù)載變化Fig.7 The case of load change

5.2.2 轉(zhuǎn)速變化情況

仿真過程中：參考電壓為15V，帶16Ω負(fù)載不變。電機(jī)由靜止起動到 400r/min，t=3s時轉(zhuǎn)速突增到 485r/min，t=10s時轉(zhuǎn)速突跌至 325r/min。轉(zhuǎn)速變化時，負(fù)載電壓超調(diào)約1V，為穩(wěn)態(tài)電壓的6.25%，經(jīng) 2s后穩(wěn)定在 15V，系統(tǒng)響應(yīng)速度快且穩(wěn)態(tài)精度高。圖 8給出轉(zhuǎn)速變化條件下的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8 轉(zhuǎn)速變化Fig.8 The case of speed change

6 結(jié)論

（1）提出一種定子分割式軸向磁通切換混合勵磁同步電機(jī)，并分析電機(jī)結(jié)構(gòu)和磁場調(diào)節(jié)機(jī)理。

（2）建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型，并搭建電機(jī)本體和勵磁控制系統(tǒng)Simulink仿真模型，開展了電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)等相關(guān)仿真研究。

（3）搭建電機(jī)勵磁控制硬件平臺，并進(jìn)行了與仿真相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，勵磁電流的大小和方向可靈活地改變以適應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化，實(shí)現(xiàn)恒壓發(fā)電，從而驗(yàn)證了理論和仿真分析的正確性。

（4）該電機(jī)為一類新型結(jié)構(gòu)電機(jī)，制作加工工藝較復(fù)雜，且定子與兩個轉(zhuǎn)子間的氣隙長度難以保證完全相等。與現(xiàn)有混合勵磁電機(jī)相比，此類電機(jī)在電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、電磁設(shè)計(jì)及控制等方面還未形成系統(tǒng)的理論，尚有大量的工作有待進(jìn)一步研究。本文為軸向磁通切換型混合勵磁電機(jī)的深入研究及其在恒壓發(fā)電和恒功率寬范圍調(diào)速驅(qū)動領(lǐng)域的推廣和實(shí)際應(yīng)用打下了一定的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

[1] 朱孝勇, 程明, 趙文祥. 混合勵磁電機(jī)技術(shù)綜述與發(fā)展展望[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2008, 23(1)： 31-39.

Zhu Xiaoyon, Cheng Ming, Zhao Wenxiang. An overview of hybrid excited electric machine capable of field control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(1)： 31-39.

[2] 黃明明, 林鶴云, 金平. 新型混合勵磁同步電機(jī)分區(qū)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2012, 32(12)： 120-125.

Huang Mingrning, Lin Heyun, Jin Ping. Design and analysis on stage control systems for a novel hybrid excitation synchronous motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(12)： 120-125.

[3] 劉細(xì)平, 鄭愛華, 王晨. 雙定子混合勵磁同步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)分析及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報,2012, 16(7)： 23-28.

Liu Xiping, Zheng Aihua, Wang Chen.Electromagnetic design analysis and experiment of a dual-stator hybrid excitation synchronous generator[J].Electric Machines and Control, 2012, 16(7)： 23-28.

[4] Huang Mingming, Lin Heyun, Huang Yunkai, et al.Fuzzy control for flux weakening of hybrid exciting synchronous motor based on particle swarm optimization algorithm[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2012, 48(11)： 2989-2992.

[5] 楊成峰, 林鶴云, 劉細(xì)平. 混合勵磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制策略[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2008, 12(1)：27-33.

Yang Chengfeng, Lin Heyun, Liu Xiping. Control strategy and simulation for hybrid excitation synchronous machine[J]. Electric Machines and Control, 2008, 12(1)： 27-33.

[6] 劉細(xì)平, 鄭愛華, 王 晨. 定子分割式軸向磁通切換混合勵磁同步電機(jī)三維有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(10)： 106-113.

Liu Xiping, Zheng Aihua, Wang Chen. 3-D finite element analysis and experiment study of a stator-separated axial flux-switching hybrid excitation synchronous machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(10)： 106-113.

[7] 黃明明, 林鶴云, 金平. 混合勵磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)弱磁控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2012, 16(4)： 3-7.

Huang Mingming, Lin Heyun, Jin Ping. Flux weakening control for driving system of hybrid excitation synchronous motor[J]. Electric Machines and Control, 2012, 16(4)： 3-7.

[8] 徐磊, 程明, 趙文祥. 新型模塊化磁通切換永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)建模與仿真研究[J]. 微電機(jī), 2010,43(03)： 37-41.

Xu Lei, Cheng Ming, Zhao Wenxiang. Modeling and simulation of a new modular flux-switching permanent magnet motor drive system[J].Micromotors, 2010, 43(03)： 37-41.

[9] Takamichi Yoshimoto, Yasuyoshi Asai, Tomoshiro Ota. Dynamic characteristics of novel two-DOF resonant actuator by vector control[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2012, 48(11)： 2985-2988.

[10] Zhang Z R, Yan Y G, Yang S S, et al. Principle of operation and feature investigation of a new topology of hybrid excitation synchronous machine[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44(9)： 2174-2180.

[11] Sulaiman E, Tsujimori Y, Kosaka T, et al. Design of 12-slot 10-pole permanent magnet flux switching machine with hybrid excitation for hybrid electric vehicle[C]. In Proc. 5th IET Int. Conf. Power Electron.Mach. Drives, 2010： 1-5.

[12] Zhao W X, Cheng M, Hua W, et al. Back-EMF harmonic analysis and fault-tolerant control of flux-switching permanent-magnet machine with redundancy[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(5)： 1926-1935.

[13] Brisset S, Vizireanu D, Brochet P. Design and optimization of a Nine-phase Axial-flux PM synchronous generator with concentrated winding for direct-drive wind turbine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2008, 44(3)： 707-715.

[14] Hua W, Zhang G, Cheng M, et al. Electromagnetic performance analysis of hybrid-excited flux-switching machines by a nonlinear magnetic network model[J].IEEE Transactions on Magnetic, 2011, 47(10)：3216-3219.

[15] Zulu A, Mecrow B, Armstrong M. A wound-field three-phase flux-switching synchronous motor with all excitation sources on the stator[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, 46(6)： 2843-2846.