電勵磁磁通切換電機勵磁故障下發(fā)電運行研究

王玉彬　王從貴　李祥林　馬文忠

(中國石油大學(華東)信息與控制工程學院　青島　266580)

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電勵磁磁通切換電機勵磁故障下發(fā)電運行研究

王玉彬王從貴李祥林馬文忠

(中國石油大學(華東)信息與控制工程學院青島266580)

針對電勵磁磁通切換電機(EE-FSM)的獨特定子結構配置，提出一種在勵磁繞組發(fā)生故障、無勵磁磁場時，以開關磁阻發(fā)電機(SRG)模式運行的控制策略。首先分析了EE-FSM以SRG模式運行的基本原理，然后以一臺12/10 EE-FSM為研究對象，提出一種6相SRG發(fā)電運行控制方案。在此基礎上，采用有限元法分析了電機以SRG模式運行時的磁場分布、電樞繞組磁鏈、電樞電流以及電功率輸出能力等電磁特性。分析結果表明，EE-FSM在勵磁繞組故障條件下可運行于SRG模式，從而可改善EE-FSM發(fā)電運行狀態(tài)的可靠性。

電勵磁磁通切換電機故障運行開關磁阻發(fā)電機有限元分析

0　引言

近年來，隨著石油資源的日益短缺和人類生存環(huán)境的持續(xù)惡化，混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicles，HEVs)以其燃油經濟性高以及尾氣排放低等顯著優(yōu)點受到了世界各國政府、科研機構以及學者們的廣泛關注和高度重視，并得到了快速發(fā)展。其中，輕/中度混合型HEVs的典型特征是用集成起動發(fā)電機(Integrated Starter-Generator，ISG)取代了常規(guī)車輛中所采用的相互獨立的發(fā)電機和起動電動機。ISG將內燃機起動與蓄電池充電功能集于一體，不僅能為內燃機冷起動提供起動轉矩，而且能在車輛減速以及制動時為蓄電池充電，因此能有效改善整車的燃油經濟性[1，2]。

電勵磁磁通切換電機(Electrical Excitation Flux-Switching Machine，EE-FSM)是一種定子勵磁型電機。由于其電樞繞組和勵磁繞組均置于定子側，轉子上既無永磁體也無勵磁繞組，因此，易于實現(xiàn)定子側繞組的冷卻，適于高速運行，具有結構簡單、成本低以及運行可靠的顯著優(yōu)點，近年來得到了廣泛關注。由于EE-FSM的勵磁繞組和電樞繞組相互獨立，因此，其勵磁電流可以連續(xù)調節(jié)。當運行于電動機狀態(tài)時，易于實現(xiàn)弱磁調速，獲得較寬的恒功率運行范圍；而當其運行于發(fā)電機狀態(tài)時，隨著發(fā)電機轉速的變化，實時調節(jié)勵磁電流，在一定的轉速波動范圍內可以實現(xiàn)電樞繞組的輸出電壓保持不變，從而可簡化發(fā)電機端整流器，降低功率變換器成本和控制難度[3-10]。因此，EE-FSM在輕/中度混合型HEVs領域具有廣闊的應用前景。

而EE-FSM的穩(wěn)定可靠運行是其具備上述優(yōu)點的前提。就電機本體而言，EE-FSM的繞組故障可歸結為兩類：其一為電樞繞組的開路或短路故障所致，其二為勵磁繞組故障，致使勵磁磁場為零。對于前者，借鑒文獻[11-14]中針對永磁磁通切換電機(Permanent Magnet FSM，PM-FSM)所提出的容錯控制策略，可實現(xiàn)EE-FSM的容錯運行，而對于勵磁繞組故障時是否能實現(xiàn)EE-FSM的發(fā)電運行，尚無報道。

本文主要研究EE-FSM在勵磁繞組故障條件下，如何使其實現(xiàn)故障運行。首先介紹了EE-FSM在勵磁繞組故障下發(fā)電運行的基本原理，然后以一臺典型的12/10 EE-FSM為分析對象，以其運行于開關磁阻發(fā)電機(Switch Reluctance Generator，SRG)模式時的結構特點為基礎，提出一種6相發(fā)電運行控制方案。在此基礎上，對SRG發(fā)電運行時的磁場分布、電樞繞組磁鏈、電樞電流以及電功率輸出能力等電磁特性進行了分析。分析結果表明，EE-FSM在勵磁繞組故障條件下可運行于SRG模式，從而改善了EE-FSM發(fā)電運行狀態(tài)的可靠性。

1　EE-FSM勵磁故障發(fā)電運行原理

圖1為一臺典型的12/10 EE-FSM結構的配置圖。當勵磁繞組發(fā)生故障時，勵磁繞組中的勵磁電流為零，對電樞繞組磁場無影響，因此，在圖2所示的勵磁繞組開路12/10 EE-FSM單齒結構圖中沒有畫出勵磁繞組。為了便于分析，設電機鐵心磁路不飽和，則電樞繞組的電感為線性變化規(guī)律。由于單個定子集中繞組包圍的單個定子大齒被勵磁繞組槽區(qū)域分割為兩部分，故在圖2中分別定義為定子齒1和定子齒2。當轉子以轉速n從圖2所示位置轉過定子齒1和定子齒2時，單個集中定子繞組的電感變化規(guī)律如圖3所示。其中，區(qū)間[0，θ1]與[θ4，θ5]對應轉子齒與定子槽相對；區(qū)間[θ1，θ2]與[θ3，θ4]分別對應轉子齒經過定子齒1和定子齒2；區(qū)間[θ2，θ3]則表示轉子齒經過勵磁繞組槽區(qū)域時的電感變化規(guī)律。需要說明的是，由于轉子齒的寬度通常大于勵磁繞組槽區(qū)域的寬度，因此區(qū)間[θ2，θ3]的電感Lδ大于轉子齒與定子槽相對時的電感Lmin。同時，也正是由于轉子齒的寬度通常大于定子齒1和定子齒2的寬度，因此，轉子齒和定子齒1、2齒齒相對時，其電感最大值Lmax呈平頂狀。

圖1　12/10 EE-FSM結構圖Fig.1　Configuration of 12/10 EE-FSM

圖2　勵磁繞組開路12/10 EE-FSM單齒結構Fig.2　Configuration of single tooth with field windings open-circuit fault of 12/10 EE-FSM

圖3　單個定子齒上集中繞組電感波形Fig.3　Inductance waveform of armature windings wound on each stator tooth

觀察圖3所示單個定子集中繞組的電感變化規(guī)律可發(fā)現(xiàn)，該變化規(guī)律與開關磁阻發(fā)電機運行時的電感變化規(guī)律一致。其不同之處在于，SRG一個轉子極距內僅轉過一個定子齒，而EE-FSM勵磁繞組故障時，一個轉子極距內則轉過兩個定子小齒。因此可將12/10 EE-FSM勵磁繞組故障時看作一臺24/10的SRG。這表明，EE-FSM勵磁繞組故障時，可看作是一臺極槽數(shù)配合非最優(yōu)的SRG。因此，此時的EE-FSM完全可運行于開關磁阻發(fā)電機運行模式。

2　勵磁繞組故障運行電樞繞組連接及控制方案

2.1電樞繞組連接

當圖1所示的12/10 EE-FSM運行于EE-FSM模式時，A相繞組的4個線圈所匝鏈的勵磁磁鏈滿足一致性和互補性，因此可串聯(lián)構成一相，從而構成一臺三相12/10 EE-FSM。而當勵磁繞組故障，電機運行于SRG模式時，其磁通路徑已發(fā)生變化，此時的繞組A1～A4不能直接串聯(lián)構成一相，可看作一臺6相SRG。圖4為12/10 EE-FSM勵磁繞組故障，運行于SRG發(fā)電時的電樞繞組連接。圖4中，直線1為SRG發(fā)電運行時的轉子起始位置。圖5為SRG發(fā)電運行時的主功率電路拓撲結構。

圖4　SRG模式運行電樞繞組連接Fig.4　Armature windings connection operation on SRG mode

圖5　SRG發(fā)電模式電路拓撲結構Fig.5　Circuit topology operation on SRG mode

2.2控制方案

為實現(xiàn)12/10 EE-FSM勵磁繞組故障下的SRG發(fā)電運行，各相電樞繞組的開通與關斷必須合理安排。由于電機結構的特殊性，在設置電樞繞組的開通與關斷信號時，首先僅考慮每個集中繞組下的小齒1，即將EE-FSM看成是6相12/10的開關磁阻發(fā)電機，故可得到某一相繞組的開關管控制信號，其余各相電樞繞組的開關控制信號僅需按圖4所示的旋轉方向逆向依次延遲6°(θτr/m=6°，其中θτr為轉子極距角，m為電樞繞組相數(shù))機械角度便可得到。其次，由于每個集中繞組環(huán)繞兩個定子小齒，從充分利用這兩個定子小齒的角度出發(fā)，在同一個轉子極距內，當圖4所示的轉子齒分別與定子小齒1和定子小齒2齒齒相對時，選擇適當?shù)拈_通角，重新開通環(huán)繞在這兩個定子小齒上的電樞繞組，從而可充分利用全部定子齒。

根據上述原則，可得到SRG發(fā)電運行時的6相主功率開關控制規(guī)律如圖6所示。圖4中，齒齒相對的兩定子繞組構成一相繞組，故電機此時為6相運行。現(xiàn)以B1B3相繞組為例加以說明，以圖4所示位置為起點，對B1繞組包圍的定子小齒1和2而言，沿旋轉方向，轉子齒1首先掠過定子小齒1，設置其開通角為5°，關斷角為13°，可得B1B3相繞組的第一個開通區(qū)間為[5°,13°]。間隔15°機械角度(勵磁繞組槽寬度與一個定子小齒寬度所對應機械角度之和)后，重新開通B1B3相繞組的主開關，可得B1B3相繞組的另一開通區(qū)間為[20°,28°]。因此，在一個轉子極距內，B1B3相繞組的控制規(guī)律便可確定。其余5相繞組，即A1A3、 C2C4、 B2B4、 A2A4和C1C3，則依次順延6°機械角度，從而得到如圖6所示的控制方案。

圖6　電樞繞組控制方案Fig.6　Control scheme of armature windings

需要說明的是，此處給出的功率開關的開通角與關斷角主要用來闡明控制方案，因此，上述方案中的角度并非是最優(yōu)的。

3　12/10 EE-FSM以SRG模式發(fā)電運行電磁特性分析

為驗證所提出控制方案的可行性，本文以一臺12/10 EE-FSM為例，令其勵磁繞組故障，采用有限元法，對其發(fā)電運行時的磁場分布、繞組磁鏈、繞組電流以及電機的發(fā)電能力進行分析。表1為電機的主要設計參數(shù)。

表1　12/10 EE-FSM主要樣機參數(shù)Tab.1　Key parameters of 12/10 EE-FSM prototype

3.1氣隙磁場分布

為便于對比磁通切換電機發(fā)電運行以及SRG模式發(fā)電運行時的磁場分布，圖7a給出了EE-FSM發(fā)電運行時的磁場分布。從圖中可發(fā)現(xiàn)，由于勵磁磁場由專門的勵磁繞組提供，此時的磁通路徑為短磁路結構。圖7b～圖7g則給出了電機在一個轉子極距內，不同轉子位置時，運行于SRG發(fā)電模式時的磁場分布。可發(fā)現(xiàn)，此時的磁通路徑為長磁路，且磁力線的方向有其規(guī)律性，即圖7b～圖7g中，虛線以上的磁力線方向均從電樞繞組進入轉子，而虛線以下的磁力線方向均從轉子進入電樞繞組。這一特點說明，發(fā)電運行時，電樞繞組中的磁鏈方向保持不變，其磁鏈為單極性，符合開關磁阻發(fā)電機的磁鏈特征。

圖7　磁場分布Fig.7　Distributions of magnetic field

3.2直流側電壓及繞組磁鏈與電流

采用有限元法分析計算電樞繞組中的電流及磁鏈變化規(guī)律時，設置電路為開環(huán)控制，其勵磁電源電壓為150 V，濾波電容為4 700 μF，負載為電阻負載。圖8為所得到的直流側電壓波形，可看出，隨著負載的增大，直流側電壓Uc逐漸降低。忽略電樞電阻的影響，主功率開關導通時，由圖5可得到電樞回路方程為

Us=dψ/dt

(1)

而當主功率開關關斷時，電樞回路方程為

Uc=dψ/dt

(2)

圖8　直流側電壓波形Fig.8　Voltage waveforms of DC side

當主功率開關關斷時，電機運行于發(fā)電狀態(tài)，負載逐漸增大，直流側電壓Uc逐漸降低，由式(2)可知，電樞繞組匝鏈的磁鏈下降率隨之降低，因此發(fā)電區(qū)域逐漸增寬，輸出電功率增加。圖9所示的不同負載時B1繞組磁鏈波形以及圖10所示的B1B3相繞組電流波形也有力地說明了這一規(guī)律。

圖9　B1繞組磁鏈波形Fig.9　Flux-linkage waveforms of B1 windings

圖10　B1B3相繞組電流波形Fig.10　Phase current waveforms of B1B3

需要說明的是，轉子齒掠過定子小齒1時，發(fā)電能力較掠過定子小齒2時弱，其主要原因有兩方面：①當發(fā)電區(qū)和勵磁區(qū)寬度近似相同時，由于轉子齒寬度通常大于定子勵磁槽寬度，使得電機的電感變化規(guī)律如圖3所示，即Lδ>Lmin，且區(qū)間[θ2，θ3]內的電感Lδ變化率為零；②當負載增大，定子齒1發(fā)電區(qū)寬度受定子齒2開通角的限制，不能增大，而定子齒2的發(fā)電區(qū)寬度則不受此影響，使得其發(fā)電區(qū)寬度大于勵磁區(qū)寬度，如圖9中負載電阻為5 Ω時所示的現(xiàn)象，使得發(fā)電機輸出的電功率隨之增大。

3.3輸出功率

圖11為負載電阻RL=15 Ω時的電磁轉矩波形。圖中，電磁轉矩為負值，說明此時電磁轉矩為制動轉矩，電機運行于發(fā)電機狀態(tài)。忽略損耗的影響，電機輸出功率與電磁轉矩滿足如下關系

P=TemΩ

(3)

式中，Ω為轉子機械角速度。因此，可計算出當轉速為1 800 r/min，不同負載時電機的輸出功率如表2所示。可發(fā)現(xiàn)，電機運行于SRG模式時，輸出電功率能力有所降低。產生這一現(xiàn)象的原因可歸結為兩方面因素：①磁通切換電機與開關磁阻發(fā)電機功率密度差異所致；②磁通切換電機運行于SRG發(fā)電模式時，定轉子極數(shù)配合非最優(yōu)，未充分利用定子電樞繞組，因而導致電功率輸出能力降低，圖7所示的磁場分布也清晰地說明了這一原因。

圖11　電磁轉矩波形(RL=15 Ω)Fig.11　Waveforms of electromagnetic torque(RL=15 Ω)表2　不同負載時SRG模式運行輸出功率Tab.2　Output power under different loadings

負載/Ω平均電磁轉矩/(N·m)功率/W25-2.4047453.0520-2.5803486.1315-2.8749541.6310-3.2434611.065-4.3371817.11

需要說明的是，由于電機設計參數(shù)是以EE-FSM模式額定負載運行時確定的，故當電機以額定負載運行于EE-FSM模式時，其系統(tǒng)效率最高。而當勵磁繞組發(fā)生故障，運行于SRG模式時，其極槽數(shù)配合非最優(yōu)，因此系統(tǒng)的效率會有所降低。

4　結論

本文針對EE-FSM發(fā)電運行中的勵磁繞組故障，提出了一種在該故障條件下開關磁阻發(fā)電機發(fā)電運行控制策略，在原理分析及有限元驗證的基礎上，得到以下結論：

1)當EE-FSM發(fā)電運行出現(xiàn)勵磁繞組故障時，合理改變電樞繞組的連接方式，電機可運行于SRG發(fā)電模式。

2)EE-FSM運行于SRG發(fā)電模式時，電機的勵磁、發(fā)電階段與開關磁阻發(fā)電機的勵磁、發(fā)電階段一致，但由于EE-FSM定子結構的特殊性，在一個轉子極距內，要經歷兩次勵磁及發(fā)電過程，且第二階段的發(fā)電能力強于第一發(fā)電階段。

3)EE-FSM運行于SRG發(fā)電模式時，較之其運行于SRG模式，輸出功率能力有所下降，但對于輕/中度HEVs中的集成起動發(fā)電系統(tǒng)而言，仍不失為一種提高系統(tǒng)運行可靠性的有益選擇。

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Research on Power Generation of Electrical Excitation Flux-switching Machine with Faults in Field Windings

Wang YubinWang CongguiLi XianglinMa Wenzhong

(College of Information and Control EngineeringChina University of PetroleumQingdao266580China)

Due to the unique stator configuration of the typical electrical excitation flux-switching machine (EE-FSM)，a new control strategy for the situation of excitation coil fault and no excitation magnetic field，in which the EE-FSM can be regarded as working in the switch reluctance generator (SRG) mode，ispresented and analyzed in this paper.Firstly，the principles of the EE-FSM working in the SRG mode are investigated.Then，the control strategy of the six-phase SRG operation for a 12/10 EE-FSM is proposed to achieve the power generation in the SRG mode.The electromagnetic properties，including the distribution of magnetic field，the flux linkage of armature windings，the armature current，and the capacity of electrical power output etc.，are analyzed by using finite element analysis (FEA).The results confirm that the EE-FSM can work in the SRG mode in the fault situation.Hence，the power-generation reliability of EE-FSM can be improved.

Electrical excitation，flux-switching machine，fault operation，switched-reluctance generator，finite element analysis

2015-08-03改稿日期2015-11-30

TM315

王玉彬男，1974年生，博士，副教授，研究方向為新型電機的設計、分析與控制。

E-mail：yubwang5190@163.com(通信作者)

王從貴男，1990年生，碩士研究生，研究方向為新型電機設計。

E-mail：wangconggui_upc@163.com

國家自然科學基金資助項目(51277183)。