雙極性勵磁雙通道開關磁阻電機的電磁性能研究

陳小元

（1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2.麗水學院工程與設計學院，浙江麗水323000）

雙極性勵磁雙通道開關磁阻電機的電磁性能研究

陳小元1，2

（1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2.麗水學院工程與設計學院，浙江麗水323000）

在分析雙通道開關磁阻電機單極性不對稱勵磁方式時不同通道間相鄰相互感作用的基礎上，提出雙極性增磁和雙極性弱磁兩種雙通道開關磁阻電機勵磁方法，并說明基本工作原理。基于場路耦合有限元模型分析單極性不對稱勵磁、雙極性弱磁和雙極性增磁勵磁方式時雙通道開關磁阻電機的磁場特性，求解三種不同勵磁方式時雙通道開關磁阻電機的電流、轉矩、銅耗和鐵耗等電磁性能并進行了對比分析。研究結果表明，雙極性弱磁和增磁勵磁控制時，比雙通道開關磁阻電機單極性勵磁時輸出對稱性好，且單位鐵耗下輸出功率大，綜合比較，雙極性弱磁控制時雙通道開關磁阻電機性能最優。

雙通道SRM；雙極性勵磁；互感作用；電磁性能

0　引言

電機余度容錯技術是提高航空航天用驅動等領域的安全性和可靠性的一種有效的方法，一般采用雙余度和雙通道兩種技術。其中雙通道電機系統是在一個電機中設置兩套繞組并分別與獨立的功率變換器驅動連接而構成兩個通道，當一個通道系統發生故障時，剩余的一個通道系統仍然可正常工作，保證驅動設備繼續運行［1］。

開關磁阻電機（switched reluctance machine，SRM）是一種結構簡單，堅固可靠的多相電機，適合作為雙通道電機系統。美國University of Kentucky，Sundstr Aerospace以及General Electric Aircraft Engines等單位早在上個世紀90年代即開展了雙通道SRM的研究，并聯合試制了250kW的雙通道SRM樣機［2-4］。在國內，南京航空航天大學研發了70 kW的高速SRM航空起動/發電機系統，西安交通大學也開展了雙通道SRM的研究［5-6］。Honeywell Engines&Systems，Revolve Magnetic Bearings Inc及US Air Force Research Lab等單位則聯合開發了基于永磁偏置磁懸浮軸承支撐的轉速達42 000 r/min的250 kW雙通道SRM系統［7］。

本文在分析雙通道SRM單極性不對稱勵磁方式時不同通道間相鄰相的互感作用的基礎上，提出雙極性弱磁勵磁和雙極性增磁勵磁兩種新的雙通道SRM勵磁方法，通過雙通道SRM的磁路耦合的有限元模型分析了不對稱勵磁、雙極性弱磁勵磁和雙極性增磁勵磁方式時雙通道SRM的磁場特性并進行了對比研究。

1　勵磁方式

1.1單極性不對稱勵磁

圖1所示為文獻［2-5］分析了通道間解耦的雙通道SRM繞組連接方式，每個通道的每相兩個定子齒極線圈通單極性電流時分別構成S極和N極，而整個SRM形成SSNN…SSNN極性排列。

文獻［2-5］只考慮單拍工作情況，而雙通道SRM在實際高速運行時，存在不同通道的相臨兩相繞組同時有電流區間，必然存在互感耦合現象。如圖1所示的勵磁方式，在不同通道的相臨兩相繞組均有電流時，若相鄰磁極極性相同，一相繞組對另一相繞組起弱磁作用，反之，起增磁作用。而由整個雙通道SRM極性排列可知通道1的一相兩磁極均對其下一開通的通道2的一相相應兩磁極進行弱磁，通道2的一相兩磁極均對其下一開通的通道1的一相相應兩磁極進行增磁，導致不同通道間相鄰相具有不對稱的互感作用，故稱為單極性不對稱勵磁方式。

圖1　單極性不對稱勵磁方式（方式1）Fig.1　Unbipolar asymmetric excitation

1.2雙極性弱磁勵磁

當一通道的一相的兩個相對的繞組通入電流使得一個定子齒產生N極磁通，另一個產生S極磁通時，可確保兩通道間弱耦合［5］。若合理通入一定規律的雙極性電流使得下一開通相的兩個通道繞組對前一開通相的兩個對應通道的繞組同時進行弱磁或增磁，電機亦可進行雙通道方式工作。雙極性電流可由H橋電路實現［8-9］。

圖2和圖3分別為雙極性弱磁勵磁方式時的繞組接法和相電流示意圖，其中定義繞組注入正電流時相應定子齒產生N極磁通，注入負電流時相應定子齒產生S極磁通。可知任一通道的一相的兩定子齒磁極均對下一開通相相應兩定子齒磁極同時進行弱磁。

圖2　雙極性弱磁勵磁方式（方式2）Fig.2　Bipolar weakened magnetism excitation

圖3　雙極性弱磁勵磁方式電流示意Fig.3　Current of bipolar weakened magnetism excitation

1.3雙極性增磁勵磁

圖4和圖5分別為雙極性增磁勵磁方式時繞組接法與相電流，可知任一通道的一相的兩磁極均對下一開通相相應兩定子齒磁極同時進行增磁。

圖4　雙極性增磁勵磁方式（方式3）Fig.4　Bipolar enhanced magnetism excitation

雙通道SRM的電磁轉矩為

式中，IT=［iA1iB1iC1iA2iB2iC2］，

其中L0為雙通道SRM單相繞組的自電感，MXX為各相間的互感（其中下標X代表雙通道A或B或C等不同相）。當采用單極性不對稱勵磁，雙極性弱磁和雙極性增磁勵磁控制方式時，由于不同通道間相鄰相間互感作用不同，導致三種勵磁方式時電機電感L不同，因此電機電磁性能必將有所差別。

2　場路耦合磁場分析

基于時步有限元法建立雙通道SRM場路耦合模型［10-12］，仿真時設定母線電壓為270 V，開通角和關斷角分別為-1°和15°，轉速為11 500 r/min，電機逆時針旋轉。

圖6所示為雙通道SRM在單極性勵磁，雙極性弱磁和雙極性增磁勵磁方式時換相過程。

圖6　雙通道SRM三種勵磁方式換相過程的磁力線圖Fig.6　Flux plot under three excitation strategies

單極性不對稱勵磁方式在換相過程中，相臨兩開通相繞組同時有電流流通，其中通道1的A1相a11和a12繞組分別對通道2的B2相b21和b22繞組進行弱磁，而通道2的A2相a21和a22繞組分別對通道1的B1相b11和b12繞組進行增磁；雙極性弱磁勵磁時通道1的A1相a11和a12繞組分別對通道2的B2相b21和b22繞組進行弱磁，且通道2 的A2相a21和a22繞組也分別對通道1的B1相繞組b11、b12進行弱磁。雙極性增磁勵磁時通道1的A1相a11和a12繞組分別對通道2的B2相b21和b22繞組進行增磁，且通道2的A2相a21和a22繞組也分別對通道1的B1相b11和b12繞組進行增磁；由于換相過程中的相臨相的磁場作用不同，必然導致不同勵磁方式時電機性能的差別。

3　性能對比

3.1電流

三種方式勵磁方式時的兩通道的相電流如圖7和表1所示。

圖7　三種勵磁方式的兩通道電流Fig.7　Currents of dual-channel SRM under three excitation strategies

表1　電流有效值Table 1　Currents RMS under three excitation strategies

由于換相時相間互感的不對稱作用，導致單極性不對稱勵磁方式時兩個通道的電流不均衡，即被增磁的通道1的相（A1相）電流比被弱磁的通道2的相（A2相）電流大。而雙極性磁勵勵磁和雙極性增磁換相過程中相間互感作用對稱，其各自兩個通道的電流幅值及有效值均一致，計算結果表明雙極性增磁勵磁時的相電流有效值比雙極性弱磁勵磁時相電流有效值大，即大的電流產生增強的磁場。

3.2轉矩和功率

三種勵磁方式時的合成輸出轉矩，平均輸出轉矩及功率分別如圖8和表2所示。可知在采用APC工作方式且同等控制條件下，雙極性弱磁勵磁方式的的輸出功率最小，雙極性增磁勵磁方式時電機的輸出功率最大，而不對稱勵磁方式介于兩雙極性勵磁中間。而單通道工作時三種方式勵磁時的電機輸出功率基本相同，原因在于單通道工作時三種方式勵磁均沒有了通道間的互感作用。但對比雙通道工作時的輸出，雙極性弱磁勵磁方式的單通道容錯運行時的輸出功率達到滿載時53.2%，單通道容錯時相對輸出功率大。

表2　輸出轉矩及功率Table 2　Output under three excitation strategies

3.3電磁損耗

電機電磁損耗主要是銅耗和鐵耗，其中銅耗為

式中PCu為電機平均銅耗，每一通道的相數m為3，Ich1和Ich2分別為兩個通道各相電流的有效值，設定相繞組的電阻值Rph為1.19Ω。計算得雙通道SRM電機在三種勵磁方式時銅耗分別為160.4 W，155.8 W及165.0 W，雙極性弱磁勵磁方式時銅耗小，雙極性增磁勵磁時大，與電流分析印證。

忽略鐵心附加損耗，設定鐵心損耗主要由渦流損耗和磁滯損耗構成。不同勵磁時雙通道SRM鐵心損耗采用雙頻法計算，其中渦流損耗采用諧波分解法，磁滯損耗采用磁密峰值法［10-11］。三種勵磁方式時電機各部分的詳細損耗如表3所示。可知三種勵磁方式時渦流損耗在總鐵心損耗中均占較大比值，由于定子鐵耗遠高于轉子，說明在雙通道SRM中鐵耗主要集中在定子鐵心，與普通SRM的鐵耗特性相同。

圖9～圖11為三種勵磁方式下定子和轉子鐵心損耗圖，可知定子鐵耗密度明顯大于轉子，損耗最大區域為定子軛。單極性不對稱勵磁時轉子損耗較均勻，但定子軛鐵心損耗極不均勻，其主要原因為電機的磁場不對稱所致。而雙極性增磁勵磁和雙極性弱磁勵磁時由于相間互感作用對稱，定子軛部損耗較均勻，亦說明了雙極性增磁勵磁和雙極性弱磁勵磁方式時雙通道SRM內的磁場的對稱性較單極性不對稱勵磁時好。

圖9　單極性不對稱勵磁時鐵心損耗密度圖Fig.9　Iron loss density under unbipolar excitation strategy

圖10　雙極性弱磁勵磁時鐵心損耗密度圖Fig.10　Iron loss density under bipolar weakened magnetism excitation strategy

圖11　雙極性增磁勵磁時鐵心損耗密度圖Fig.11　Iron loss density under bipolar enhanced magnetism excitation strategy

由表3計算可知，單極性不對稱勵磁、雙極性弱磁和雙極性增磁勵磁方式時的單位鐵損輸出功率分別為8.5W、13.4W和10.2W，表明雙極性勵磁方式特別是弱磁勵磁方式單位鐵損輸出功率遠大于單極性不對稱勵磁方式，原因在于雙極性勵磁時SRM電機的定子磁密頻率僅為單極性勵磁時的一半，因而可大幅減小電機的鐵心損耗［7-9］，同時由于雙極性增磁勵磁方式導致換相過程中定子齒部磁場飽和而限制了電機進一步輸出。若計及銅耗等損耗，單位損耗下三種勵磁方式輸出功率分別為5.3W、7.0W和5.9W，雙極性弱磁勵磁方式的單位損耗下輸出功率最大。

表3　電磁損耗Table 3　Electromagnetic losses

4　結論

本文在分析雙通道SRM單極性不對稱勵磁時不通道間相鄰相的互感作用的基礎上，提出了雙極性弱磁勵磁方式和雙極性增磁勵磁方式兩種新的雙通道SRM勵磁方法，并研究了兩種雙極性勵磁方式相對單極性不對稱勵磁方式時雙通道SRM的性能，研究結果表明：

1）雙極性弱磁勵磁和雙極性增磁勵磁時，不同通道間相鄰相的互感作用對稱，因此兩通道相電流一致。而單極性不對稱勵磁時不同通道間相鄰相的互感的作用不對稱，使得兩通道的相電流有差別。

2）同等控制條件下，不同通道間相鄰相的互感的作用的不同，導致雙極性弱磁勵磁時電機輸出功率最小，而雙極性增磁勵磁時輸出最大，單極性不對稱勵磁介于中間。但單通道容錯運行時由于沒有通道間的互感作用，三種勵磁方式時電機的輸出功率基本相同。但雙極性弱磁勵磁方式的單通道容錯運行時的輸出功率達到滿載時53.2%，容錯運行時相對輸出功率大。

3）雙極性勵磁方式時SRM電機的定子磁密頻率為單極性勵磁時的一半，因而可大幅減小電機的鐵心損耗，使得單位鐵損雙極性勵磁方式輸出功率遠大于單極性不對稱勵磁方式。由于雙極性增磁勵磁方式導致換相過程中定子磁部磁場飽和而限制了電機進一步輸出，因此同等控制條件下，雙極性增磁方式鐵耗大于雙極性弱磁控制方式，弱磁勵磁方式的單位損耗下輸出功率最大。

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（編輯：劉素菊）

Research of electromagnetic performance of dual-channel SRMs under bipolar excitation strategies

CHEN Xiao-yuan1，2
（1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.College of Engineering and Design，Lishui University，Lishui 323000，China）

Two novel excitation strategies which are bipolar enhanced magnetism excitation and weakened magnetism excitation for dual-channel switched reluctance machines were proposed and their fundamental principle were introduced based on the analysis of mutual inductance under unbipolar asymmetric excitation，and the magnetic fields of dual-channel switched reluctance machine were compared under three different excitation strategies by using field-circuit finite element analysis.Phase currents，torques，copper losses and iron losses were calculated and contrastive analyses were made.The results show that the symmetry of the dual-channel switched reluctance machines under bipolar excitation is better than the unbipolar asymmetric excitation，and the output power is higher than that of the unbipolar asymmetric excitation.Overall，the performance of the dual-channel switched reluctance machines under bipolar weakened magnetism excitation is optimal.

dual-channel SRM；bipolar excitation；mutual inductance；electromagnetic performance

10.15938/j.emc.2016.03.009

TM 352

A

1007-449X（2016）03-0057-06

2012-11-02

國家自然科學基金（51207068）；浙江省博士后科研項目（浙人社發〔2014〕102號）；浙江省訪問學者發展項目（FX2013154）；麗水市高層次人才培養資助項目（2014RC07）

陳小元（1980—）男，博士，副教授，研究方向為電機設計及控制。

陳小元