整距繞組雙凸極永磁電機(jī)相電流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)控制策略

周智慶, 龍慶文,葉樹(shù)林, 田 英

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，佛山 528225; 2.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510650)

0 引 言

雙凸極永磁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DSPM)電機(jī)在20世紀(jì)90年代被提出[1]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、效率和能量密度高等特征使得DSPM電機(jī)在工業(yè)中獲得應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，提出了各種不同的DSPM電機(jī)，有力地促進(jìn)了DSPM電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。DSPM的研究主要包括兩方面：電機(jī)本體和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)控制電路[2-10]。關(guān)于定子永磁式的雙凸極結(jié)構(gòu)兩相電機(jī)，較早地在文獻(xiàn)[11]中進(jìn)行了深入研究，通過(guò)錯(cuò)開(kāi)的雙定子結(jié)構(gòu)，明顯地削弱了輸出扭矩波動(dòng)，同時(shí)由于相繞組180°電角度的導(dǎo)通角度，獲得了更大的扭矩密度，由于采用錯(cuò)開(kāi)雙體定子結(jié)構(gòu)，扭矩/功率體積密度降低，同時(shí)銅耗增加，漏磁增加，因而需要多的永磁體。類(lèi)似的兩相電機(jī)出現(xiàn)在專(zhuān)利文獻(xiàn)[12]中，針對(duì)文獻(xiàn)[11]中兩相電機(jī)出現(xiàn)的問(wèn)題及其缺陷，文獻(xiàn)[13]提出了一種兩相分布繞組雙凸極永磁電機(jī)，12/8極結(jié)構(gòu)，磁鏈幾乎為單極性，然而，每相繞組磁鏈擁有集中繞組兩倍的變化率，因而，每相繞組擁有更高的反電動(dòng)勢(shì)。分析顯示，同等條件下，其擁有更高的功率密度，然而沒(méi)有揭示其控制方法。顯然，與文獻(xiàn)[12]中的兩相電機(jī)相比，由于定轉(zhuǎn)子極數(shù)比不同，導(dǎo)致兩相繞組的工作原理存在很大的差異，從而控制策略會(huì)有較大的不同。

本文就文獻(xiàn)[13]中提出的整距繞組雙凸極永磁電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)FMDSPM電機(jī))，以某6/4極兩相FMDSPM電機(jī)為例，如圖1所示，對(duì)其磁鏈分布和電流通斷策略進(jìn)行分析，得出四狀態(tài)開(kāi)關(guān)控制策略，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證非線性模型輸出的反電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)非線性動(dòng)態(tài)分析進(jìn)一步驗(yàn)證四狀態(tài)開(kāi)關(guān)控制策略的有效性。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

1 工作原理

1.1扭矩產(chǎn)生原理

對(duì)于FMDSPM電機(jī)，沿電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，相繞組兩側(cè)的三個(gè)定子極中，磁場(chǎng)滑入或滑出的那個(gè)定子極處于產(chǎn)生扭矩的狀態(tài)，因此，F(xiàn)MDSPM電機(jī)中的所有定子極都會(huì)處于輸出扭矩的狀態(tài)；而對(duì)于DSPM電機(jī)，理論上，總有一個(gè)定子極沒(méi)有輸出扭矩。盡管存在上述差異，但FMDSPM電機(jī)扭矩產(chǎn)生基本原理和DSPM電機(jī)基本是一樣的，從而，扭矩產(chǎn)生機(jī)理同樣可表述如下：

(1)

式中：v為相繞組兩端電壓；R為相繞組電阻；i為相繞組電流；e為相繞組反電動(dòng)勢(shì)；λ為相繞組磁鏈；λm為永磁磁鏈；L為相繞組電感；Pe為輸入功率；WC為相繞組儲(chǔ)能，決定于電感和電流，一般很小，可忽略。從Te表達(dá)式可以看出，在忽略槽扭矩的情況下，輸出扭矩Te由兩部分組成，Te表達(dá)式中第一項(xiàng)代表由相繞組電感變化產(chǎn)生的磁阻扭矩，顯然，和現(xiàn)有的DSPM電機(jī)一樣，呈現(xiàn)周期性變化，第二項(xiàng)為永磁扭矩，由于產(chǎn)生扭矩的定子極處于高度飽和中，因此，Te表達(dá)式中第一項(xiàng)很小，輸出扭矩主要為永磁扭矩。

1.2驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路通斷模態(tài)分析

圖1為轉(zhuǎn)子位置為0時(shí)的位置，在一個(gè)90°機(jī)械角度內(nèi)，相繞組磁鏈變化一個(gè)周期，如圖2所示，磁

圖2 磁鏈和電流通斷

鏈幾乎為單極性。圖3為本設(shè)計(jì)采用的雙H橋驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)一相繞組。

圖3 驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路

根據(jù)扭矩產(chǎn)生原理，在磁鏈的上升階段和下降階段都將產(chǎn)生扭矩輸出，此時(shí)相應(yīng)的繞組電流為正值或者負(fù)值，從而得出的相電流理想的開(kāi)通關(guān)斷曲線(圖2)。

根據(jù)以上分析，相電流導(dǎo)通態(tài)存在兩個(gè)大區(qū)域，分別為m1和m2，其中每個(gè)區(qū)域又存在兩個(gè)狀態(tài)，m1-1或者m1-2和m1-3，以及m2-1或者m2-2和m2-3，從而得出的開(kāi)關(guān)通斷策略如表1所示，構(gòu)成了本文的四狀態(tài)開(kāi)關(guān)通斷控制策略，其導(dǎo)通角度僅僅分別只有30°和12°以及30°和18°。進(jìn)一步可以觀察到，兩相FMDSPM電機(jī)每相電流的開(kāi)通關(guān)斷角度位置可調(diào)整空間較大，因而，穩(wěn)態(tài)扭矩輸出的速度范圍可以明顯擴(kuò)大，既可以?xún)上噙B續(xù)單相工作形成的兩相電機(jī)，也可以雙相同時(shí)工作形成的兩相電機(jī)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合而定。

表1 每個(gè)模態(tài)中開(kāi)關(guān)通斷表

2 非線性分析

2.1計(jì)算結(jié)果及其驗(yàn)證

非線性有限元模型計(jì)算方法是求證最常用的方法，得到了業(yè)界普遍認(rèn)同。所設(shè)計(jì)的6/4極FMDSPM電機(jī)有限元求解模型如圖4所示，通過(guò)計(jì)算后，得到相繞組磁鏈分布示于圖5中，圖5中同時(shí)也包含了對(duì)磁鏈求微分所得到的反電動(dòng)勢(shì)波形。通過(guò)實(shí)驗(yàn)求證所得到的反電動(dòng)勢(shì)波形,如圖6所示，可以看到，有限元求解的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)求證具有較好的一致性。

圖4 分析計(jì)算模型

圖5 兩相繞組磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)波形

圖6 兩相繞組反電動(dòng)勢(shì)實(shí)測(cè)波形

2.2動(dòng)態(tài)分析模型

利用動(dòng)態(tài)分析模型，通過(guò)非線性進(jìn)行動(dòng)態(tài)求解，基于以上分析的實(shí)證結(jié)果，求證四狀態(tài)開(kāi)關(guān)相電流通斷控制策略有效性。動(dòng)態(tài)分析模型如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

每個(gè)模態(tài)的分析模型計(jì)算方法此處省略，請(qǐng)參考文獻(xiàn)[7-8]。

3 結(jié)果討論

分析結(jié)果如圖7所示，圖7中標(biāo)識(shí)出了m1大區(qū)中的m1-1和m1-2以及m1-3三個(gè)子區(qū)域(點(diǎn)畫(huà)線框)，m2大區(qū)類(lèi)似。從圖7中看出，扭矩輸出保持較好的

圖7 四狀態(tài)控制法相電流通斷和扭矩輸出

連續(xù)性和穩(wěn)定性，電流峰值4 A，單斬控制，輸出扭矩平均值約為1.4 N·m；顯示出四狀態(tài)相電流通斷開(kāi)關(guān)控制法的合理性和有效性。

必須指出，由于磁場(chǎng)空間分布不均勻?qū)е路蔷€性，以及對(duì)輸出扭矩品質(zhì)要求，相電流開(kāi)關(guān)角度應(yīng)該有所調(diào)整，如圖7中A和B標(biāo)識(shí)之處所示.同時(shí)相電流之間的切換角度也對(duì)輸出具有明顯影響，如圖7中橢圓標(biāo)識(shí)處，由于相電流切換角度處理不當(dāng)，產(chǎn)生明顯相電流切換扭矩波動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了兩相FMDSPM電機(jī)相電流驅(qū)動(dòng)四狀態(tài)開(kāi)關(guān)通斷控制策略，通過(guò)對(duì)兩相FMDSPM電機(jī)扭矩產(chǎn)生原理的分析，得出：

1) 四狀態(tài)相電流開(kāi)關(guān)通斷控制策略有效性得到驗(yàn)證，能有效地對(duì)兩相FMDSPM電機(jī)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)控制。

2) 驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間短，能有效地提高其使用壽命，但也帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)利用率不高。

3) 兩相FMDSPM電機(jī)，既可以?xún)上嗬@組連續(xù)單相工作的方式形成兩相電機(jī)，也可以?xún)上嗤瑫r(shí)工作形成兩相電機(jī)，取決于應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)輸出品質(zhì)的要求。

本文工作為之后開(kāi)關(guān)角度控制、調(diào)速理論和驅(qū)動(dòng)電路以及輸出扭矩優(yōu)化等發(fā)展提供了有效基礎(chǔ)支撐。