新型電機設(shè)計與SVPWM 控制探究

胡雙全

（佳木斯電機股份有限公司屏蔽車間，黑龍江 佳木斯 154002）

1 探究新型電機設(shè)計

1.1 新型直流—磁阻單相復(fù)合電機

這種電機一般是針對電動自行車設(shè)計的。電動自行車目前已經(jīng)成為很多人出行的首選交通方式。電動車作為一種實惠又環(huán)保的交通工具，也獲得了良好的市場反饋。隨著電動車使用數(shù)量的不斷增加，商家和消費者對電動自行車輪轂驅(qū)動電機的性價比提出了更高的要求。目前市面上最廣泛使用的輪轂驅(qū)動電機是永磁式無刷直流電機。這款電機的優(yōu)勢是驅(qū)動效率高、工作時聲音小、調(diào)速性能優(yōu)異。但目前最大的問題是電機中的永磁體在高溫工作或制約振動下可能會消磁，造成電機性能下降。

開關(guān)磁阻電機不具有永磁體，并且采用凸級式結(jié)構(gòu)。優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、成本低、不易出現(xiàn)故障[1]。目前開關(guān)磁阻電機在電動自行車電機中備受關(guān)注。但是其劣勢是轉(zhuǎn)矩紋波大、算法復(fù)雜，而且用于交通工具后舒適性不高。如果將以上兩種電機進行組合，則會在降低轉(zhuǎn)矩脈動的條件下增加輸出轉(zhuǎn)距。據(jù)有限元計算軟件的分析，該結(jié)構(gòu)提高了電機的轉(zhuǎn)矩密度和運行效率[2]。

電機結(jié)構(gòu)以旋轉(zhuǎn)方向?qū)ΨQ。在軸向上，外轉(zhuǎn)子為層狀結(jié)構(gòu)。左右各三層導(dǎo)磁層（磁導(dǎo)率很高）嚴密貼合兩層輻條的直流電樞。導(dǎo)磁層材料是壓實的硅鋼片。輻條直流電樞為帶有18 個輻條的圓盤型金屬銅片。輻條輪盤共包含四個輻條直流電樞。工作時，電流沿著輻條流動，且四個輪盤上電流方向相同。外轉(zhuǎn)子圓筒是硅鋼制品。外轉(zhuǎn)子圓筒、直流電樞和導(dǎo)磁層三個部分組成單相復(fù)合電機的外轉(zhuǎn)子部分。

軸向上內(nèi)定子也為層狀分布。內(nèi)定子槽底沖片疊放，兩端為疊放的圓盤沖片，形成的槽中繞有軸向勵磁繞組，內(nèi)定子的凸極數(shù)也為18 個，在內(nèi)定子的各凸極徑向頂端設(shè)有安裝徑向勵磁繞組的外槽，槽上繞有徑向勵磁線圈，內(nèi)定子距離外轉(zhuǎn)子0.3mm，電機轉(zhuǎn)子徑向與軸向都有受力，電機軸軸承標準需要符合GB/T297-1994，球軸承內(nèi)徑需要與電機軸緊配合，外徑需要與左右兩邊外轉(zhuǎn)子圓盤內(nèi)徑緊密配合，電機內(nèi)定子在每個凸極端部用頂部沖片疊壓，填充電樞繞組凹槽，定轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片沖壓制成，軸向纏繞的勵磁線圈會產(chǎn)生軸向磁通，內(nèi)定子中一般纏繞300 圈勵磁線圈，內(nèi)定子18 個凸極的端部外緣上預(yù)留繞組槽，槽內(nèi)設(shè)置18 個串聯(lián)式徑向勵磁（匝數(shù)為5 匝），相鄰的凸極互相反方向纏繞，用于形成N-S-N-S 型磁場[3]，磁力線與外轉(zhuǎn)子圓筒的凸極、軛部、定子凸極環(huán)繞而形成多個環(huán)形短磁路。

直流-磁阻單相復(fù)合電機運行原理如下：48V 直流電源供電后，徑向勵磁繞組、輻條直流電樞、軸向勵磁繞組三者的驅(qū)動主回路互不干擾。Us 為電源（直流電），D1、D2、D3 都是二極管（快恢復(fù)型），徑向勵磁繞組線圈的控制主開關(guān)管使得S1、S2 同時開啟或關(guān)斷，此裝置可向徑向勵磁繞組中通入電流用于制造脈沖[4]，徑向勵磁繞組線圈采用不對稱半橋功率變換器結(jié)構(gòu)，通過控制主開關(guān)管S3、S5 或 S4、S6，實現(xiàn)在輻條直流電樞中通入方向互逆的電流，控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，直流供電電源降壓后置于軸向勵磁阻兩側(cè)，以此生成恒定軸向磁場，生成定向磁場時需要降壓，此時用到的降壓變換器由主開關(guān)管S7、續(xù)流二極管D3、儲能電感 L、濾波電容 C 組成。

徑向勵磁繞組電感L（θ）在直流-磁阻電極旋轉(zhuǎn)時候位置角θ 呈現(xiàn)周期性變化，在電感上升區(qū)內(nèi)對徑向勵磁繞組通電，將產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，電源的電能一部分轉(zhuǎn)化為機械能，其他則存儲在徑向勵磁繞組。徑向勵磁繞組電感進入電感下降區(qū)時，繞組電流將產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，會阻礙一部分電機工作，所以需要在電感下降區(qū)關(guān)閉控制S1、S2。S1、S2 是徑向勵磁繞組電流的主開關(guān)，之后管繞組內(nèi)的電流由二極管D1 和D2 續(xù)流，快速降到0。與此同時，打開主開關(guān)管 S3、S6 或 S4、S5，在輻條直流電樞中通過電流。軸向勵磁線圈產(chǎn)生軸向磁場，且方向恒定，輻條上的電流在磁場中受安培力作用生成轉(zhuǎn)矩，開關(guān)磁阻電機的極數(shù)需要增加。與此同時轉(zhuǎn)矩脈動減小，βr 和與其相關(guān)參數(shù)也同步減小，增大電樞直徑的同時縮小外轉(zhuǎn)子疊厚可以減少電機質(zhì)量和外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。設(shè)直流-磁阻單相復(fù)合電機Ns、Nr 均為18，τs（內(nèi)定子極矩角）、τr（外轉(zhuǎn)子極距角）均為20°，可得旋轉(zhuǎn)周期為20°。βs=14°、βr=11°，則最小電感區(qū)αr-βs 為 0，最大電感重疊角的θ2～θ3 區(qū)域為βs-βr=14-11=3°。內(nèi)定字與外轉(zhuǎn)子凸極的重疊角大于等于5°。整個定子與轉(zhuǎn)子的凸極重疊度是90°時通入電流就可以使得轉(zhuǎn)子像預(yù)設(shè)方向旋轉(zhuǎn)。若預(yù)設(shè)正方向是順時針，旋轉(zhuǎn)1°后各個定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極在逆向重疊3.5°，正向重疊1.5°，此時如果切斷轉(zhuǎn)子電樞繞組電流，即可利用磁阻轉(zhuǎn)矩繼續(xù)向逆方向旋轉(zhuǎn)。若預(yù)設(shè)正方向是逆時針，當(dāng)按磁阻電機原理旋轉(zhuǎn)約7°后，再給輻條直流電樞繞組通入電流即可使其繼續(xù)向正向（逆時針向）旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過13°后切斷輻條樞繞組電流，按磁阻電機原理旋轉(zhuǎn)。以上過程形成了一組循環(huán)。

依據(jù)上文原理對電機進行模擬。電機的仿真步長設(shè)為1ms，每一步旋轉(zhuǎn)角度為1°。電機旋轉(zhuǎn)周期是20°，所以在周期內(nèi)有20 個1°。如果選取它進行仿真，即可得到周期內(nèi)電機的轉(zhuǎn)矩變化曲線，同時用2D 動態(tài)仿真法仿照磁阻電機原理仿真，設(shè)置仿真時間為20ms，仿真步長為1ms。

計算結(jié)果顯示，平均轉(zhuǎn)矩6.97N·m，最大轉(zhuǎn)矩為8.49N·m，轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為0.21。將直流電機原理和變阻器原理結(jié)合起來，可以使得轉(zhuǎn)矩輸出倍增，也能可以運用各階段的轉(zhuǎn)矩，減少轉(zhuǎn)矩的脈動。如果運行方向不變，則轉(zhuǎn)子電樞繞組運行時候始終只有一個方向的電流，電刷并沒有換向火花之類的弊端，所以可以使得電刷十分耐用[5]。該系統(tǒng)極大地提高了電機的功率密度和電動自行車動力驅(qū)動系統(tǒng)的性價比。

1.2 新型無刷直流電機

衛(wèi)星姿態(tài)控制直接影響通信技術(shù)的精度和準確性。衛(wèi)星動量輪具有負載小、控制精度高、環(huán)境好、使用年限長等優(yōu)點。通過動量輪改變轉(zhuǎn)速的大小產(chǎn)生不同力矩，人們可以使衛(wèi)星姿態(tài)得到精準控制。飛輪決定了電機的性能，電機的性能又決定了轉(zhuǎn)子性能[6-7]。

針對兩種電機在結(jié)構(gòu)的不同，可以使用動態(tài)模型仿真法可以對其進行分析，這種新型電機基于氣隙磁路，設(shè)計了一些高精度控制方法，進行了仿真實驗。

飛輪系統(tǒng)組成有：（1）飛輪轉(zhuǎn)子主體；（2）保護軸承系統(tǒng)；（3）雙圈無刷直流電機；（4）密封罩組件；（5）控制系統(tǒng)組件。飛輪控制衛(wèi)星姿態(tài)的原理是改變飛輪轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)矢量方向，產(chǎn)生相應(yīng)的控制力矩，輸出扭矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。由于永磁體固有特性的影響，永磁電機產(chǎn)生的永磁場不易調(diào)節(jié)，這對電機控制提出了更高的要求。為了提升電機的電磁性能，提升運行特性和機械特性，降低制造成本。

電機結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外為內(nèi)圈、內(nèi)圈永磁體、杯形定子、外圈永磁體和外圈。與傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)相比，雙圓形磁鋼結(jié)構(gòu)電機形成了在相同轉(zhuǎn)矩下，增加了徑向氣隙磁感應(yīng)強度（產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的磁感應(yīng)強度，即有效氣隙磁感應(yīng)強度），增加了總氣隙磁感應(yīng)強度，提高了電機的設(shè)計轉(zhuǎn)矩，大大降低了功耗，使電機兩極間的磁通密度更均勻，減小了轉(zhuǎn)矩脈動，大大降低功耗。以雙磁極間的氣隙為分析對象，對單環(huán)永磁體的厚度、永磁體的高度、導(dǎo)磁材料的厚度等客觀條件進行了有限元分析模擬，并計算了各模擬路徑的氣隙磁感應(yīng)強度[8]。

仿真結(jié)果表明，在相同的路徑、相同的外部條件和其它參數(shù)下，雙圈構(gòu)型電機方案的氣隙磁密比傳統(tǒng)方案高。當(dāng)量氣隙磁感應(yīng)強度的最大值增加3%，氣隙平頂寬度由90°左右增加到120°左右，使氣隙磁通密度波形更接近理想梯形波形，保證了輸出轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性，減小了電機的轉(zhuǎn)矩脈動，進一步提高了性能。

霍爾效應(yīng)傳感器確定位置，進而位置信號轉(zhuǎn)為驅(qū)動控制電路的電信號，可以控制電機電流的換向系統(tǒng)和電壓，定子三相繞組依次充電，從而控制電機的旋轉(zhuǎn)，分別測試動量輪速度增加、速度減小和均速平穩(wěn)運行三種狀態(tài)[9]。

新型電機結(jié)構(gòu)的氣隙磁密度顯著提高，反電動勢波形變化劇烈，更接近理想的梯形波，氣隙平頂寬度更接近120°。因此，新的電機結(jié)構(gòu)更易于高精度控制電機，新結(jié)構(gòu)的氣隙磁密度也有很大提高。因此，新的結(jié)構(gòu)對電機控制更加精確。電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩脈動小對于上氣隙磁密度的仿真結(jié)果，在參數(shù)不變的情況下，氣隙磁密度的平頂寬度及相應(yīng)的氣隙磁密度和仿真值，傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，結(jié)構(gòu)的仿真和分析如下[10]：

在沒有任何控制器的情況下，結(jié)果表明兩臺電機達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所需時間基本相同。最大超調(diào)速度為5212rad/s，超調(diào)量為4.24%。最大超調(diào)速度為5832rad/s，超調(diào)速度為20.7%。t=0.2s 時，新型電機結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間較快，轉(zhuǎn)速變化率為1%。傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)波動較大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化率為193%。仿真結(jié)果表明，新的電機結(jié)構(gòu)可以改善電機的機械特性和整體性能。

1.3 其他新型電機

超聲波電機：利用超聲波頻率范圍內(nèi)的機械振動獲得動力源并利用摩擦力傳輸彈性超聲波獲得動力的裝置。壓電電動機的超聲振動源與壓電陶瓷密切相關(guān)，當(dāng)交流電壓被應(yīng)用到壓電陶瓷上時，壓電陶瓷本身或者壓電陶瓷和金屬的混合物會周期性地膨脹和收縮，這就是壓電效應(yīng)，通過這種膨脹和收縮，馬達產(chǎn)生動力。

直線電機：是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能的電機，不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置，它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開，并展成平面而成。特點是結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大大簡化，重量和體積大大減少，定位精度高，需要直線運動時候直線電機可實現(xiàn)直接傳動。

開關(guān)磁阻電動機：調(diào)速系統(tǒng)中使用的開關(guān)磁阻馬達是SRD 機電能量轉(zhuǎn)換的組成部分，也是 SRD 區(qū)別于其他電機驅(qū)動系統(tǒng)的主要標志。固體火箭發(fā)動機定子和轉(zhuǎn)子的凸極由普通硅鋼片制成。轉(zhuǎn)子既沒有繞組，也沒有永久磁鐵。定子極繞有集中繞組，兩個徑向相反的繞組相連，稱為“一相”，定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)有許多不同的配置。相位多，步進角小，可以減小轉(zhuǎn)矩脈動，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，臟開關(guān)裝置多，成本高[11-12]。

2 SVPWM 控制

SVPWM 是Space Vector Pulse Width Modulation 的簡寫，是近年來發(fā)展起來的一種新型控制方法。三相逆變器由六個功率開關(guān)元件組成的特殊開關(guān)模式產(chǎn)生了脈寬調(diào)制（PWM）波，其能使輸出電流波形盡可能接近理想的正弦波。與傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制不同，空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）追求整體效果，其目標是使電機運行在一個理想的圓形軌跡上，繞組電流波形的諧波比例較低，這使電機的轉(zhuǎn)矩脈動減小，并導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)磁場現(xiàn)象。

常見的三相全橋是由六個開關(guān)器件組成的三個半橋。由于各橋臂的上下部信號相反，六個部件可以有8種安全開關(guān)組合。上橋臂為“1”表示連接，下橋臂為“0”表示連接，即Sk=1，上橋臂連接，下橋臂閉合。Sk=0 表示k 值對應(yīng)的上斷，下通。000 和111 狀態(tài)不能使電機正常工作，因為不會產(chǎn)生有效的電路?；? 種開關(guān)組合就可以構(gòu)成6 個有效的向量，他們平分整個一周（360°）的電壓，每個有60°的扇區(qū)，六個扇區(qū)配合上兩個零向量就可以合成平面中任意一個向量，當(dāng)要合成某一矢量時先找到兩個基本向量，一般是找到距離被表示向量最近的即可，每個基本矢量起到的作用以時間長度表示，用電壓矢量按照不同的時間比例去合成所需要的電壓矢量。

變頻電機工作時，矢量方向也是一直改變的，因此矢量作用時間也需要不斷的修正，一般采用定時計算法（如每0.1ms 計算一次）以便于處理，此時只需算出在0.1ms 內(nèi)兩個基本矢量作用的時間就可以了?？臻g電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的主要特點是：（1）每個開關(guān)只涉及一個器件，即使每個單元之間有多個開關(guān)，但總損耗仍然很??；（2）由于電壓空間矢量直接產(chǎn)生三相PWM 波，因此計算簡單；（3）輸出線的最大基波電壓為直流側(cè)電壓，比常規(guī)正弦波逆變器高15%。