軸向磁通切換混合勵磁電機勵磁控制系統

劉細平 左亮平 刁艷美 易 靚

（江西理工大學電氣工程與自動化學院 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（Stator-Separated Axial Flux-Switching Hybrid Excited Synchronous Machine, SSAFSHEM）是一種新型磁通可調式定子永磁型電機，轉子上既無永磁體也無任何繞組[1]，轉子結構簡單堅固，冷卻方便。該電機綜合混合勵磁電機[2]與軸向磁通切換電機的優點，具有較強的對稱調磁能力，可克服因負載或轉速隨機性較強而導致永磁同步電機端電壓不穩定的缺點[3]，又可抵御高溫下轉子永磁型電機的退磁風險，同時電機具有一定的故障滅磁能力，可進一步提高電機運行的可靠性。

本文首先分析 SSAFSHEM 電機的結構和磁場調節機理，并推導其數學模型；以此建立SSAFSHEM電機本體、勵磁電流控制器和功率變換器的一體化仿真模型[4,5]；開展電機本體及勵磁控制系統等相關仿真和實驗研究。

2 電機結構和磁場調節機理

2.1 電機結構

圖 1所示為 SSAFSHEM電機結構模型及制作樣機。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，由隔磁環將其分為磁路相互獨立的內外兩部分；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；盤式轉子由轉子極和轉子磁軛組成；勵磁繞組軸向纏繞在勵磁支架上，電機內磁場呈軸向分布，為一種無刷交流電機[6]。

圖1 12/10極電機結構圖Fig.1 Structural of 12/10 SSAFSHEM

2.2 磁場調節機理

圖2所示為SSAFSHEM電機的磁場調節機理。根據磁路磁阻最小的原理，絕大部分磁通由N極出發，經H形單元定子鐵心、氣隙、轉子齒、轉子磁軛、相鄰轉子齒、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。

當勵磁磁通與永磁磁通路徑相同時，電機工作在增磁狀態，氣隙磁通Φδ、永磁磁通Φpm和電勵磁磁通三者之間的關系為：Φδ=Φe+Φpm；當勵磁磁通路徑與永磁磁通相反時，電機工作在弱磁狀態：Φδ=Φpm-Φe。因此通過調節勵磁電流，可實現磁場的靈活調節。

圖2 磁場調節機理Fig.2 Adjustment principle of magnetic field

3 電機數學模型

3.1 電壓平衡方程

由于電機同時具有永磁和電勵磁兩個磁動勢源，電機數學模型比較復雜，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]。

電機定子電樞繞組電壓電流正方向按發電機慣例，根據基爾霍夫第二定律和電磁感應定律[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 電磁功率和電磁轉矩方程

A相瞬時電磁功率：Sa=-eaia；不計鐵耗和機械損耗，發電機吸收的機械功率為

電磁轉矩為

式中ωr——機械角速度；

ω——電角速度，ω=pωr。

3.4 轉子機械運動方程

式中J——轉動慣量；

Tm——機械轉矩；

F——阻力系數。

4 電機勵磁控制系統仿真建模

4.1 勵磁控制系統構成

圖3為電機勵磁系統原理框圖，控制系統主要由電機本體、功率變換主電路、電勵磁功率變換電路、勵磁電流調節器、驅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的直流電壓，實現恒壓控制。

圖3 電機勵磁系統原理框圖Fig.3 Diagram of excitation system

4.2 恒壓勵磁控制系統仿真建模

采用模塊化和功能化的方法將圖3中各個模塊轉換為仿真中各功能獨立的子系統，即電機本體、功率變換主電路、勵磁電流調節器等子系統。結合電機的數學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建立電機本體模型。下表給出部分 SSAFSHEM 電機結構和電磁參數，仿真中參數設置與實際值基本一致。

表 部分SSAFSHEM電機結構和電磁參數Tab. Partial structure and electromagnetic parameters of SSAFSHEM

5 仿真分析與實驗研究

5.1 電機本體仿真和實驗驗證

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

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

電機轉速為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磁效果。圖5a、5b分別為仿真和實測結果，相電壓變化明顯，調磁效果較好。

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 恒壓發電控制系統分析和實驗研究

在建立電機勵磁控制系統仿真平臺的基礎上，搭建基于TMS320F2812+STC12C5A60S2架構的控制器實驗平臺，進行與仿真相對應的勵磁控制實驗，實驗參數的設置與仿真參數基本相同，圖 6為SSAFSHEM 勵磁控制系統實驗平臺，包括控制器、樣機、交流永磁伺服電機、伺服驅動器、直流電子負載、單相調壓器、電流鉗以及示波器等測試儀器。控制器由DSP控制板、電機功率變換電路、電勵磁驅動板和鍵盤顯示電路等構成，主要實現樣機三相電的整流、負載電壓采樣、算法處理和勵磁電流輸出；伺服驅動器控制原動機的轉速實現轉速的突變，直流電子負載可實現負載的突變。

圖6 勵磁控制實驗系統Fig.6 Experimental system of excitation control

仿真和實驗控制系統中采用積分分離 PI算法改善電機的動態特性。當電壓偏差小于積分相閾值電壓時P、I同時作用，當偏差大于閾值電壓時只讓P進行調節，使系統響應加快，避免系統過大超調，使系統獲得良好的動態指標。仿真和實驗中設定閾值電壓為5V。

5.2.1 負載變化情況

仿真過程中：轉速維持400r/min不變，參考電壓設定為16V。采用開關切換負載，負載電流從0.8A減小到 0.55A后突增加至 1.05A。負載突變時，負載電壓超調 1V左右，為穩定電壓值的 6.25%，經2s后穩定在 16V，系統響應速度快且穩態精度高。圖7給出負載變化條件下仿真和實驗結果。

圖7 負載變化Fig.7 The case of load change

5.2.2 轉速變化情況

仿真過程中：參考電壓為15V，帶16Ω負載不變。電機由靜止起動到 400r/min，t=3s時轉速突增到 485r/min，t=10s時轉速突跌至 325r/min。轉速變化時，負載電壓超調約1V，為穩態電壓的6.25%，經 2s后穩定在 15V，系統響應速度快且穩態精度高。圖 8給出轉速變化條件下的仿真和實驗結果。

圖8 轉速變化Fig.8 The case of speed change

6 結論

（1）提出一種定子分割式軸向磁通切換混合勵磁同步電機，并分析電機結構和磁場調節機理。

（2）建立電機數學模型，并搭建電機本體和勵磁控制系統Simulink仿真模型，開展了電機的穩態和動態等相關仿真研究。

（3）搭建電機勵磁控制硬件平臺，并進行了與仿真相對應的實驗研究。實驗結果表明：控制系統具有良好的穩態和動態性能，勵磁電流的大小和方向可靈活地改變以適應電機轉速和負載變化，實現恒壓發電，從而驗證了理論和仿真分析的正確性。

（4）該電機為一類新型結構電機，制作加工工藝較復雜，且定子與兩個轉子間的氣隙長度難以保證完全相等。與現有混合勵磁電機相比，此類電機在電機拓撲結構選擇、電磁設計及控制等方面還未形成系統的理論，尚有大量的工作有待進一步研究。本文為軸向磁通切換型混合勵磁電機的深入研究及其在恒壓發電和恒功率寬范圍調速驅動領域的推廣和實際應用打下了一定的理論和技術基礎。

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