控制策略對(duì)機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩影響分析

朱德明，李小龍

(1.南京電子技術(shù)研究所，南京 210039；2.中國(guó)人民解放軍第63725部隊(duì)，陜西 渭南 714000)

0 引 言

機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)乃至整個(gè)航電綜合系統(tǒng)的小型化、輕量化、高集成度的設(shè)計(jì)要求對(duì)機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)功率密度提出了越來(lái)越苛刻的要求[1]。

表貼式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、漏磁少等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)載雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛。文獻(xiàn)[1-3]研究了平行，徑向和Halbach充磁方式對(duì)表貼式永磁電機(jī)的氣隙磁密影響，明確了 3 種充磁方式的適用場(chǎng)合。文獻(xiàn)[4]提出一種由矩形磁鋼加導(dǎo)磁金屬塊構(gòu)成的表貼式磁極結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)該磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)氣隙磁密波形的優(yōu)化。文獻(xiàn)[5]對(duì)表貼式游標(biāo)電機(jī)電磁性能進(jìn)行分析，優(yōu)化永磁體配置以減少永磁體用量，降低成本和達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)矩能力。

近年來(lái)，內(nèi)嵌式永磁電機(jī)在新能源汽車場(chǎng)合逐漸應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]在保證空載氣隙磁密基波幅值不變，以電機(jī)諧波損耗為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)內(nèi)嵌式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果表明內(nèi)嵌式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但是其調(diào)速性能要遠(yuǎn)優(yōu)于表貼式永磁電機(jī)。文獻(xiàn)[8]研究表明內(nèi)嵌式永磁電機(jī)V型轉(zhuǎn)子在電磁性能上更優(yōu)，且能夠很好地滿足電動(dòng)汽車的性能需求。

綜合來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者集中在表貼式永磁電機(jī)的充磁方式、磁極形狀等對(duì)氣隙磁密影響的分析和內(nèi)嵌式永磁電機(jī)調(diào)速性能的研究。針對(duì)機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用場(chǎng)合研究較少。本文針對(duì)該應(yīng)用場(chǎng)合，從提高永磁電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩出發(fā)，在對(duì)比分析表貼式永磁電機(jī)和內(nèi)嵌式永磁電機(jī)的氣隙磁密特點(diǎn)基礎(chǔ)上，研究了直軸電流為零控制策略和最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略對(duì)電機(jī)輸出最大峰值轉(zhuǎn)矩的影響。

1 機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)工況

機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)主要功能為驅(qū)動(dòng)天線進(jìn)行環(huán)掃，扇掃和定點(diǎn)工作。在環(huán)掃，扇掃和定點(diǎn)工作模式下，電機(jī)的工況不同，如圖1所示。

圖1 機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)工況曲線

環(huán)掃模式下，t0-t1區(qū)間，天線從零速啟動(dòng)，加速到工作轉(zhuǎn)速，電機(jī)主要克服慣性力矩以及傳動(dòng)鏈的摩擦力和天線的風(fēng)阻力，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，但時(shí)間短，通常為2 s～3 s。在t1-t2區(qū)間，天線以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)需要克服傳動(dòng)鏈的摩擦力和天線的風(fēng)阻力，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小，且長(zhǎng)期工作。

扇掃模式下，t2-t3,t4-t5，t6-t7區(qū)間，天線轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。此變速過(guò)渡過(guò)程中，電機(jī)主要克服慣性力矩以及傳動(dòng)鏈的摩擦力和天線的風(fēng)阻力，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，時(shí)間短，通常也為2 s～3 s。在其他勻速時(shí)間區(qū)間，電機(jī)需要克服傳動(dòng)鏈的摩擦力和天線的風(fēng)阻力，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小。

定點(diǎn)模式下，僅在模式切換的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，需要電機(jī)短時(shí)間輸出大轉(zhuǎn)矩，其他時(shí)間電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小。

由此可見，機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)具有正常工作為高速低載，模式切換為短時(shí)高過(guò)載的特點(diǎn)。而電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及控制策略息息相關(guān)，針對(duì)該特點(diǎn)，以提高電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，對(duì)相同定子，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)氣隙磁密和轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析研究。

2 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)氣隙磁密分析

氣隙磁密又稱為電機(jī)的磁負(fù)荷，直接影響電機(jī)的功率密度和溫升。以典型永磁電機(jī)表貼式和內(nèi)嵌式一字形、內(nèi)嵌式V字形三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為對(duì)象，建立有限元模型進(jìn)行分析，以尋求高氣隙磁密的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的共性參數(shù)選取如下：

(1)電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為4；

(2)不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下永磁體體積相同；

(3)定子為無(wú)槽結(jié)構(gòu)，以忽略定子齒槽對(duì)磁路飽和的影響；

(4)電機(jī)的定子內(nèi)外徑和轉(zhuǎn)子外徑不變，參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)模型參數(shù)

2.1 表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)氣隙磁密分析

表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，為機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式。電機(jī)的截面積不變，極弧系數(shù)從0.6增加到0.8，依次遞增0.05，對(duì)氣隙磁密影響如圖2(b)所示?？梢钥闯鰵庀洞琶芑ǚ惦S極弧系數(shù)的增加而增加，氣隙磁密諧波含量THD隨極弧系數(shù)的增加先減小再增加，在極弧系數(shù)為0.7～0.75時(shí)取極小值。

圖2 表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與磁密特點(diǎn)(一對(duì)極)

2.2 內(nèi)嵌式一字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)氣隙磁密分析

內(nèi)嵌式一字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示。磁橋?qū)挾葹楣桎撈穸?.35 mm不變，永磁體距轉(zhuǎn)軸圓心的中心距h分別取36.14 mm、36.01 mm、35.88 mm、35.75 mm、35.62 mm，永磁體長(zhǎng)a和寬b的變化對(duì)氣隙磁密分布的影響如圖4所示。

圖3 內(nèi)嵌式一字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖(一對(duì)極)

圖4(a)可以看出，任一中心距h下，永磁體長(zhǎng)a越大，寬b越小，氣隙磁密基波幅值越大；若永磁體面積不變，即長(zhǎng)a寬b保持不變，隨著永磁體中心距h的增加，氣隙磁密基波幅值也增加。中心距h和永磁體長(zhǎng)a越大，氣隙磁密基波幅值越大；反之，氣隙磁密基波幅值就越小。

圖4 氣隙磁密波形隨永磁體寬度變化趨勢(shì)

圖4(b)為不同中心距h下，氣隙磁密諧波含量THD隨永磁體寬度的變化趨勢(shì)。從圖中可得出如下結(jié)論：

(1)永磁體截面a×b不變，增加中心距h，氣隙磁密THD減小，永磁體寬b越大，氣隙磁密諧波含量THD減小幅度越大；

(2)中心距h不變，增加永磁體寬度b，氣隙磁密諧波含量THD隨之減小，減到4 mm～5 mm時(shí)略有增加，且中心距h值越小，氣隙磁密諧波含量THD開始增加時(shí)的永磁體寬度b越小，增加的幅度越大。

2.3 內(nèi)嵌式V字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)氣隙磁密分析

內(nèi)嵌式V字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5所示，其除了中心距和永磁體長(zhǎng)和寬之外，比內(nèi)嵌式一字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還多了槽跨距角θ，結(jié)構(gòu)更加靈活。

內(nèi)嵌式V字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)每極由兩塊永磁體構(gòu)成，保持單個(gè)永磁體長(zhǎng)a和寬b分別為12 mm和3 mm不變，中心距h分別取26 mm、26.5 mm、27 mm時(shí)，永磁體槽跨距角θ對(duì)氣隙磁密分布的影響如圖6所示。

圖5 內(nèi)嵌式V字型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖(一對(duì)極)

圖6(a)為不同中心距h氣隙磁密基波幅值隨槽槽跨距角θ的變化趨勢(shì)，槽跨距角θ從100°增加到125°，每次遞增5°。從圖6(a)可以看出，任一中心距h下，減小永磁體槽跨距角θ，氣隙磁密基波幅值增加；若永磁體槽跨距角θ不變，增加中心距h，氣隙磁密基波幅值增加。中心距h越大，永磁體槽跨距角θ越小，氣隙磁密基波幅值越大；反之，氣隙磁密基波幅值就越小。

圖6 長(zhǎng)和寬不變氣隙磁密波形隨槽跨距角變化趨勢(shì)

圖6(b)為不同中心距h下，氣隙磁密諧波含量THD隨永磁體槽跨距角θ的變化趨勢(shì)?？傻贸鋈缦陆Y(jié)論：

(1)中心距h不變，增加永磁體槽跨距角θ，氣隙磁密諧波含量THD先減小后增大，并且中心距h越大，取得氣隙磁密諧波含量THD極小值時(shí)的槽跨距角越大；

(2)槽跨距角θ取100°時(shí)，氣隙磁密諧波含量THDh=27 mm>氣隙磁密諧波含量THDh=26.5 mm>氣隙磁密諧波含量THDh=26 mm，而槽跨距角θ大于等于 時(shí)，氣隙磁密諧波含量THDh=26 mm>氣隙磁密諧波含量THDh=26.5 mm>氣隙磁密諧波含量THDh=27 mm。

保持永磁體中心距h為27 mm，長(zhǎng)寬a×b分別取9 mm×4 mm、10 mm×3.6 mm、11 mm×3.273 mm、12 mm×3 mm時(shí)，永磁體槽跨距角θ對(duì)氣隙磁密分布的影響如圖7所示。

圖7 中心距不變氣隙磁密波形隨槽跨距角變化趨勢(shì)

圖7(a)為槽跨距角θ從100°增加到130°，每次遞增5°。任一長(zhǎng)寬a×b下，增加永磁體槽跨距角θ，氣隙磁密基波幅值減??；若永磁體槽跨距角θ不變，增加永磁體長(zhǎng)a，氣隙磁密基波幅值增加。永磁體長(zhǎng)a越大，槽跨距角θ越小，氣隙磁密基波幅值越大；永磁體長(zhǎng)a越小，槽跨距角θ越大，氣隙磁密基波幅值就越小。

圖7(b)為氣隙磁密諧波含量THD隨永磁體槽跨距角θ的變化趨勢(shì)圖。永磁體不同形狀情況下(即a×b分別?。? mm×4 mm、10 mm×3.6 mm、11 mm×3.273 mm、12 mm×3 mm四對(duì)值)，氣隙磁密諧波含量THD的變化趨勢(shì)一致，隨槽跨距角θ先減小后增加，并且氣隙磁密諧波含量THD在θ=100°附近取極小值。

總結(jié)上述仿真分析，三種結(jié)構(gòu)氣隙磁密基波幅值最大值時(shí)，氣隙磁密基波幅值和氣隙磁密諧波含量THD值如表2所示。三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)氣隙磁密諧波含量相當(dāng)，而內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提供更大的氣隙磁密，其中內(nèi)嵌式V字形結(jié)構(gòu)最大，比表貼式增加16%。同時(shí)，與表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不需要額外磁鋼保護(hù)套，氣隙可以進(jìn)一步減小，以提高氣隙磁密。因此，三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，忽略定子磁路飽和情況下，相同電負(fù)荷內(nèi)嵌式V字形永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大。

表2 三種結(jié)構(gòu)氣隙磁密基波幅值和諧波含量

3 控制策略對(duì)轉(zhuǎn)矩特性影響分析

以某機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)應(yīng)用為例，對(duì)表貼式和內(nèi)嵌式一字形和V字形三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)進(jìn)行對(duì)比研究。電機(jī)的參數(shù)如表3所示。

表3 樣機(jī)參數(shù)

電機(jī)的功率密度與電機(jī)的電負(fù)荷成正比，進(jìn)而與槽滿率近似成正比。為提升電機(jī)的功率密度，定子采用12塊定子齒拼裝結(jié)構(gòu)，如圖8所示。其槽滿率可高達(dá)0.5，比常規(guī)定子結(jié)構(gòu)槽滿率提高15%左右。

圖8 分塊定子齒塊

3.1 id=0控制策轉(zhuǎn)矩特性對(duì)比分析

矢量控制策略中，直軸電流為零(id=0控制策略)控制因?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛。圖9給出3.5倍額定電流，id=0控制策略電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線和相繞組電流曲線。

圖9 id=0控制策略電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性與繞組電流

圖9(a)可以看出，三種類型電機(jī)，在轉(zhuǎn)速0～2200 r/min區(qū)間，轉(zhuǎn)矩基本一致，為15.7 Nm左右，未達(dá)到3.5倍的額定轉(zhuǎn)矩16.59 Nm。這是因?yàn)殡姍C(jī)磁路達(dá)到飽和后再增加電流，無(wú)助于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的提升。

隨著轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)反電勢(shì)正比升高。當(dāng)電機(jī)反電勢(shì)升高到一定程度，受逆變器最大輸出電壓的電壓極限環(huán)限制，電機(jī)繞組電流需要下降，才能滿足電機(jī)繞組電壓平衡方程。繞組電流的下降導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的下降。因此，在轉(zhuǎn)速2200 r/min～3500 r/min區(qū)間，隨轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩降低。表貼式永磁電機(jī)的等效氣隙大，其阻抗是三者中最小，下降的幅度最小。內(nèi)嵌式V字形永磁電機(jī)因氣隙磁密高，相同的反電勢(shì)系數(shù)，繞組匝數(shù)少，阻抗次之。而內(nèi)嵌式一字形永磁電機(jī)阻抗最大，其下降的幅度最大。

綜上，三種類型電機(jī)，采用id=0控制策略，在低速區(qū)，峰值轉(zhuǎn)矩受磁路飽和制約，電機(jī)輸出峰值轉(zhuǎn)矩差別不大。在高速區(qū)，最大輸出轉(zhuǎn)矩受阻抗制約，表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)。

3.2 MTPA控制策略矩特性對(duì)比分析

最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略(MTPA控制策略)通過(guò)選擇合理的直軸和交流電流，發(fā)揮內(nèi)嵌式永磁電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，提升電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。圖10給出3.5倍額定電流，MTPA控制策略電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線和相繞組電流曲線。

圖10 MTPA控制策略電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性與繞組電流

由圖10(a)可以看出，在0～2200 r/min區(qū)間，由于磁路的凸極效應(yīng)，內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的輸出峰值轉(zhuǎn)矩比表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高12%左右，具有更高的功率密度。在2200 r/min～3500 r/min區(qū)間，直軸電流去磁能力削弱電壓極限環(huán)限制交軸電流的作用，電機(jī)獲得比id=0控制策略更大的交軸電流，從而提升了高速區(qū)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力。其中，內(nèi)嵌式V字形永磁電機(jī)因其直軸和交軸磁路磁阻差異最大，輸出轉(zhuǎn)矩要大于其他兩種類型電機(jī)結(jié)構(gòu)。

綜上，與id=0控制策略相比，采用MTPA控制策略，表貼式永磁電機(jī)在高速區(qū)可以輸出更大峰值轉(zhuǎn)矩，而內(nèi)嵌式在全速范圍內(nèi)可以輸出更大峰值轉(zhuǎn)矩。其中V字形永磁電機(jī)的輸出峰值轉(zhuǎn)矩在全速度范圍內(nèi)要大于其他兩種類型電機(jī)結(jié)構(gòu)。

3.3 溫升對(duì)比

環(huán)境溫度為30℃，以某機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)的極限工況， 3.5倍過(guò)載3 s，0.5倍額定負(fù)載60 s為例，分析得到相同結(jié)構(gòu)尺寸和槽滿率，不同繞組匝數(shù)和線徑電機(jī)繞組的溫升曲線如圖11所示。

圖11 電機(jī)繞組的溫度曲線

可以看出，表貼式永磁電機(jī)的繞組平均溫升最高，為86.57℃，內(nèi)嵌式一字形永磁電機(jī)的繞組平均溫升次之，為66.03℃，內(nèi)嵌式V字形永磁電機(jī)的繞組平均溫升最低，為55.27℃。內(nèi)嵌式V字形永磁電機(jī)比表貼式永磁電機(jī)的平均溫升低31.21℃，表明內(nèi)嵌式V字形永磁電機(jī)具有更高的可靠性。

4 結(jié) 論

針對(duì)機(jī)載雷達(dá)永磁電機(jī)短時(shí)高過(guò)載和長(zhǎng)時(shí)低負(fù)載轉(zhuǎn)矩的工況特點(diǎn)，對(duì)三種典型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)氣隙磁密與相同的定子結(jié)構(gòu)和反電勢(shì)系數(shù)，不同控制策略轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行對(duì)比研究，得出：

(1)相同結(jié)構(gòu)尺寸和永磁體體積，三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獲得最大氣隙磁密基波時(shí)，氣隙磁密諧波含量相近，而內(nèi)嵌式V字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)氣隙磁密基波值最高，相同電負(fù)荷下輸出轉(zhuǎn)矩最大。

(2)采用id=0 控制策略，三種類型電機(jī)在低速區(qū)，輸出峰值轉(zhuǎn)矩相近；在高速區(qū)，表貼式永磁電機(jī)輸出峰值轉(zhuǎn)矩最大。

(3)采用MTPA控制策略，表貼式永磁電機(jī)在高速區(qū)比采用id=0 控制策略輸出更大峰值轉(zhuǎn)矩，而內(nèi)嵌式在全速范圍內(nèi)比采用id=0 控制策略輸出更大峰值轉(zhuǎn)矩。其中內(nèi)嵌式V字形永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在全速度范圍內(nèi)要大于其他兩種類型電機(jī)。

(4)相同機(jī)載工況下，內(nèi)嵌式V字形永磁電機(jī)的溫升較其他兩種類型電機(jī)要低，具有更高的可靠性。