橫向磁場永磁電機方波控制及仿真

錢 兒，錢月娥，章君達，徐 丹，張東寧

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

隨著電力電子技術、微處理器和交流調速控制技術的發展，永磁電機系統的應用得以推廣。近幾年來，隨著風力發電、電動車、電力直接推進裝置和飛艇用螺旋槳推進系統等技術研究的深入，人們對轉矩重量比高、低速直驅電機的需求更加迫切。為了滿足高轉矩密度、低速直接驅動的要求，各國學者廣泛開展了各種新型結構電動機的研究，其中由德國電機專家H.Weh 教授首先提出的一種新型的電機結構——橫向磁場永磁電機，它具有比傳統徑向磁場電動機更高的轉矩密度而被廣泛研究［1－2］。

1 橫向磁場永磁電機及其數學模型

圖1 為橫向磁場電機原型機結構圖。通過文獻［3］知道，TFPM 的特殊結構可以提高轉矩密度。

橫向磁場電機一般為各相獨立的多相電機，各相間沒有關聯，實現了結構上的相互解耦。

本文控制的電動機是四相結構，其中每相繞組間互差45°電角度。利用其各相相互獨立的特點，本文以其中一相為例，建立此橫向磁場永磁電機的數學模型［4］。

圖1 橫向磁場電機原型機結構

以不影響電機性能為前提，不考慮電機磁路的磁飽和以及電樞電感隨轉子不同位置時的變化，不計渦流和磁滯損耗時，相電壓方程表達式:

式中:up為相電壓;rp為電樞電阻;ip為電樞電流;Lp為電樞自感;ep0為空載反電勢。

由式(1)可得，橫向磁場永磁電機單相等效電路，如圖2 所示。本文所涉及的橫向磁場永磁電機中每相的等效電路是相同的，只是在空間上相差45°電角度。

圖2 TFPM 電機一相等效電路

一相繞組的輸入功率:

電磁轉矩表達式:

式中:Ω 為轉子機械角速度。對于四相同軸安裝的TFPM，總的電磁轉矩為各相電磁轉矩之和，因此電機的電磁轉矩公式:

2 仿真分析

在MATLAB/Simulink 軟件平臺上建立橫向磁場永磁電機及其控制系統的仿真模型。為了提高仿真計算速度，本文只利用Simulink 工具箱中的模塊庫資源，進行仿真模型的構建。其模型框圖如圖3所示。

圖3 系統仿真模型

該仿真模型主要包括TFPM 本體模塊、位置傳感器模塊、功率計算模塊、續流換向模塊等。

本次試驗的電機反電勢常數為0. 2 V/(r·min－1)，繞組電感為2.8 mH，繞組阻值為83 mΩ，TFPM 本體模塊如圖4 所示。

圖4 TFPM 本體模塊

每相繞組都有兩個位置傳感器，在空間上相差一定電角度。HALL 波形與開通極性關系如圖5 所示，逆變電路如圖6 所示，電機采用下橋臂PWM 調制信號，導通序列如表1 所示。其中HALL1 控制開通時刻及開通極性，HALL2 控制關斷時刻。兩個HALL 的位置確定開通超前(滯后)角及導通角度。

圖5 HALL 與開通極性關系

圖6 逆變電路原理圖

表1 HALL 與導通序列

由于電機存在續流，所以在4 個MOS 管都關斷時，電流通過二極管進行續流，此時加在繞組兩端的電壓方向與電流方向相反、幅值為母線電壓值。在仿真中需要將續流過程考慮進去。電流與電機繞組端電壓關系如圖7 所示。

圖7 電流與電機繞組端電壓關系圖

3 仿真與試驗結果對比分析

完成系統建模后，對電機在不同導通角及不同超前(滯后)角的運行情況進行仿真分析。從圖7中可以看出，電流波形并非正弦波，但是由式(4)可以得出，電磁功率與電流和反電勢的乘積成正比，而電機銅耗與電流平方成正比。通過調節位置傳感器，使電機運行在合適的導通角和超前(滯后)角。圖8 為轉速200 r/min、轉矩100 N·m 時反電勢與電流的對應圖。從圖8(b)中可以看出，最大電流出現在反電勢比較低的區域，此時產生的有功功率比較小，但是繞組銅耗卻很大，因此電機整體效率不高。

圖8 轉速200 r/min、轉矩100 N·m 時反電勢與電流對應圖

轉速200 r/min、轉矩100 N·m 時電機在不同情況下銅耗與電磁功率的比值如表2 所示(滯后角一欄中正值代表滯后，負值代表超前)。

表2 不同導通角和滯后角對應電機銅耗比例

從表中可以看出，導通角140°，滯后角為0°時電機銅耗比較低。對于電機控制系統來說，在開關頻率相同的情況下，MOS 管的導通損耗也與電流平方成正比關系，因此在導通角140°，滯后角為0°時控制器損耗也相對較小。

在輸出為200 r/min、轉矩100 N·m，不同導通角及滯后角(負值代表超前)時的效率對比如表3所示。

表3 額定輸出時不同導通角和滯后角對應母線電流及系統效率

從表3 中可以看出，在導通角140°、滯后角為0°時電機系統的整體效率最高，這與之前仿真分析結果是一致的。

4 結 語

本文通過對橫向磁場電機及其控制系統的建模及仿真，分析了方波控制下橫向磁場電機的電流及銅耗情況。并且通過仿真數據與實驗數據對比分析證實了該仿真方法的正確性。在橫向磁場電機方波控制中，可以通過該仿真方法找出合理的滯后角及導通角，大大降低了實際實驗過程中尋找最佳工作點的工作量，縮短了實驗時間，提高實驗效率。

［1］ JIANG Jianzhong.Anal Ytische Und Dreidimensional Enumerische Berechnung Von Transver2sal Flubmaschinen［D］.1988.

［2］ WEH H.Transversal flow machine in accumulator arrangement:United States，5051641［P］.1991－09－24.

［3］ 江建中，李永斌，施進浩.橫向磁場永磁電機的研究與發展現狀［J］.微特電機，2003，31(5):3－5.

［4］ 王建寬，施進浩，江建中.橫向磁場永磁電機系統建模與仿真［J］.微特電機，2006，34(4):5－7.