轴向磁通切换混合励磁电机励磁控制系统

刘细平 左亮平 刁艳美 易 靓

（江西理工大学电气工程与自动化学院 赣州 341000）

1 引言

定子分割式轴向磁通切换型混合励磁同步电机（Stator-Separated Axial Flux-Switching Hybrid Excited Synchronous Machine, SSAFSHEM）是一种新型磁通可调式定子永磁型电机，转子上既无永磁体也无任何绕组[1]，转子结构简单坚固，冷却方便。该电机综合混合励磁电机[2]与轴向磁通切换电机的优点，具有较强的对称调磁能力，可克服因负载或转速随机性较强而导致永磁同步电机端电压不稳定的缺点[3]，又可抵御高温下转子永磁型电机的退磁风险，同时电机具有一定的故障灭磁能力，可进一步提高电机运行的可靠性。

本文首先分析 SSAFSHEM 电机的结构和磁场调节机理，并推导其数学模型；以此建立SSAFSHEM电机本体、励磁电流控制器和功率变换器的一体化仿真模型[4,5]；开展电机本体及励磁控制系统等相关仿真和实验研究。

2 电机结构和磁场调节机理

2.1 电机结构

图 1所示为 SSAFSHEM电机结构模型及制作样机。定子铁心由12个H形单元定子铁心拼装而成，中间嵌入12块切向交替充磁的永磁体，由隔磁环将其分为磁路相互独立的内外两部分；电枢绕组周向分布在由永磁块和励磁支架隔开的相邻定子槽中；盘式转子由转子极和转子磁轭组成；励磁绕组轴向缠绕在励磁支架上，电机内磁场呈轴向分布，为一种无刷交流电机[6]。

图1 12/10极电机结构图Fig.1 Structural of 12/10 SSAFSHEM

2.2 磁场调节机理

图2所示为SSAFSHEM电机的磁场调节机理。根据磁路磁阻最小的原理，绝大部分磁通由N极出发，经H形单元定子铁心、气隙、转子齿、转子磁轭、相邻转子齿、气隙、相邻的H形单元定子铁心，再回到S极；其中单箭头所指路径为永磁磁通回路，双箭头所指路径为电励磁磁通回路。

当励磁磁通与永磁磁通路径相同时，电机工作在增磁状态，气隙磁通Φδ、永磁磁通Φpm和电励磁磁通三者之间的关系为：Φδ=Φe+Φpm；当励磁磁通路径与永磁磁通相反时，电机工作在弱磁状态：Φδ=Φpm-Φe。因此通过调节励磁电流，可实现磁场的灵活调节。

图2 磁场调节机理Fig.2 Adjustment principle of magnetic field

3 电机数学模型

3.1 电压平衡方程

由于电机同时具有永磁和电励磁两个磁动势源，电机数学模型比较复杂，但其工作原理仍然符合能量守恒定律、磁路定律、电路定律、牛顿定律等基本电工理论定律[8-10]。

电机定子电枢绕组电压电流正方向按发电机惯例，根据基尔霍夫第二定律和电磁感应定律[11-15]可知

式中ua——定子电枢绕组相电压；

uf——励磁绕组电压；

ra——定子电枢绕组电阻，在三相定子电枢完全对称的情况下，ra=rb=rc=r，其他两相相电压公式与上式类似；

rf——励磁绕组电阻。

3.2 磁链方程

相绕组的磁链ψph分为五部分：三相绕组电流和励磁电流产生的磁通分别与该相绕组匝链形成的磁链、永磁磁链[7]为

式中ψp，ψf——相绕组的磁链和励磁绕组的磁链；

ψpmp——相绕组的永磁磁链；

ip,if——相绕组电流和励磁电流；

Lp,Lf——相绕组自感和励磁绕组自感；

Mpa,Mpb,Mpc——相绕组间的互感；

Lfp，Lpf——相绕组与励磁绕组间的互感。

3.3 电磁功率和电磁转矩方程

A相瞬时电磁功率：Sa=-eaia；不计铁耗和机械损耗，发电机吸收的机械功率为

电磁转矩为

式中ωr——机械角速度；

ω——电角速度，ω=pωr。

3.4 转子机械运动方程

式中J——转动惯量；

Tm——机械转矩；

F——阻力系数。

4 电机励磁控制系统仿真建模

4.1 励磁控制系统构成

图3为电机励磁系统原理框图，控制系统主要由电机本体、功率变换主电路、电励磁功率变换电路、励磁电流调节器、驱动电路和电压比较器等部分组成。功率变换电路由不可控桥式整流电路和滤波电容组成；电励磁功率变换电路为四个MOSFET管组成的H桥式逆变电路，可向励磁绕组施加极性和大小可调的直流电压，实现恒压控制。

图3 电机励磁系统原理框图Fig.3 Diagram of excitation system

4.2 恒压励磁控制系统仿真建模

采用模块化和功能化的方法将图3中各个模块转换为仿真中各功能独立的子系统，即电机本体、功率变换主电路、励磁电流调节器等子系统。结合电机的数学模型和有限元分析得到的电枢绕组及励磁绕组电感等电磁参数建立电机本体模型。下表给出部分 SSAFSHEM 电机结构和电磁参数，仿真中参数设置与实际值基本一致。

表 部分SSAFSHEM电机结构和电磁参数Tab. Partial structure and electromagnetic parameters of SSAFSHEM

5 仿真分析与实验研究

5.1 电机本体仿真和实验验证

仿真参数为转子极数pr=10，相电枢绕组电阻Ra=5.2Ω，励磁绕组电阻Rf=13Ω，额定转速nr=400r/min。图4a为电机空载三相相电压仿真波形，电压幅值约为15V。图4b为实测波形，仿真结果与实测结果基本一致。

图4 空载三相电压波形Fig.5 Waveforms of no-load three phase voltage

电机转速为400r/min时向励磁绕组中分别施加-3A、0A、3A直流电流，通过相电压的变化观察其调磁效果。图5a、5b分别为仿真和实测结果，相电压变化明显，调磁效果较好。

图5 不同励磁电流时相电压变化波形Fig.5 Phase voltage under changed exciting current

5.2 恒压发电控制系统分析和实验研究

在建立电机励磁控制系统仿真平台的基础上，搭建基于TMS320F2812+STC12C5A60S2架构的控制器实验平台，进行与仿真相对应的励磁控制实验，实验参数的设置与仿真参数基本相同，图 6为SSAFSHEM 励磁控制系统实验平台，包括控制器、样机、交流永磁伺服电机、伺服驱动器、直流电子负载、单相调压器、电流钳以及示波器等测试仪器。控制器由DSP控制板、电机功率变换电路、电励磁驱动板和键盘显示电路等构成，主要实现样机三相电的整流、负载电压采样、算法处理和励磁电流输出；伺服驱动器控制原动机的转速实现转速的突变，直流电子负载可实现负载的突变。

图6 励磁控制实验系统Fig.6 Experimental system of excitation control

仿真和实验控制系统中采用积分分离 PI算法改善电机的动态特性。当电压偏差小于积分相阈值电压时P、I同时作用，当偏差大于阈值电压时只让P进行调节，使系统响应加快，避免系统过大超调，使系统获得良好的动态指标。仿真和实验中设定阈值电压为5V。

5.2.1 负载变化情况

仿真过程中：转速维持400r/min不变，参考电压设定为16V。采用开关切换负载，负载电流从0.8A减小到 0.55A后突增加至 1.05A。负载突变时，负载电压超调 1V左右，为稳定电压值的 6.25%，经2s后稳定在 16V，系统响应速度快且稳态精度高。图7给出负载变化条件下仿真和实验结果。

图7 负载变化Fig.7 The case of load change

5.2.2 转速变化情况

仿真过程中：参考电压为15V，带16Ω负载不变。电机由静止起动到 400r/min，t=3s时转速突增到 485r/min，t=10s时转速突跌至 325r/min。转速变化时，负载电压超调约1V，为稳态电压的6.25%，经 2s后稳定在 15V，系统响应速度快且稳态精度高。图 8给出转速变化条件下的仿真和实验结果。

图8 转速变化Fig.8 The case of speed change

6 结论

（1）提出一种定子分割式轴向磁通切换混合励磁同步电机，并分析电机结构和磁场调节机理。

（2）建立电机数学模型，并搭建电机本体和励磁控制系统Simulink仿真模型，开展了电机的稳态和动态等相关仿真研究。

（3）搭建电机励磁控制硬件平台，并进行了与仿真相对应的实验研究。实验结果表明：控制系统具有良好的稳态和动态性能，励磁电流的大小和方向可灵活地改变以适应电机转速和负载变化，实现恒压发电，从而验证了理论和仿真分析的正确性。

（4）该电机为一类新型结构电机，制作加工工艺较复杂，且定子与两个转子间的气隙长度难以保证完全相等。与现有混合励磁电机相比，此类电机在电机拓扑结构选择、电磁设计及控制等方面还未形成系统的理论，尚有大量的工作有待进一步研究。本文为轴向磁通切换型混合励磁电机的深入研究及其在恒压发电和恒功率宽范围调速驱动领域的推广和实际应用打下了一定的理论和技术基础。

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