錢 兒，錢月娥，章君達(dá)，徐 丹，張東寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)、微處理器和交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展，永磁電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用得以推廣。近幾年來，隨著風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)車、電力直接推進(jìn)裝置和飛艇用螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)等技術(shù)研究的深入，人們對轉(zhuǎn)矩重量比高、低速直驅(qū)電機(jī)的需求更加迫切。為了滿足高轉(zhuǎn)矩密度、低速直接驅(qū)動(dòng)的要求，各國學(xué)者廣泛開展了各種新型結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的研究，其中由德國電機(jī)專家H.Weh 教授首先提出的一種新型的電機(jī)結(jié)構(gòu)——橫向磁場永磁電機(jī)，它具有比傳統(tǒng)徑向磁場電動(dòng)機(jī)更高的轉(zhuǎn)矩密度而被廣泛研究［1－2］。

1 橫向磁場永磁電機(jī)及其數(shù)學(xué)模型

圖1 為橫向磁場電機(jī)原型機(jī)結(jié)構(gòu)圖。通過文獻(xiàn)［3］知道，TFPM 的特殊結(jié)構(gòu)可以提高轉(zhuǎn)矩密度。

橫向磁場電機(jī)一般為各相獨(dú)立的多相電機(jī)，各相間沒有關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的相互解耦。

本文控制的電動(dòng)機(jī)是四相結(jié)構(gòu)，其中每相繞組間互差45°電角度。利用其各相相互獨(dú)立的特點(diǎn)，本文以其中一相為例，建立此橫向磁場永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型［4］。

圖1 橫向磁場電機(jī)原型機(jī)結(jié)構(gòu)

以不影響電機(jī)性能為前提，不考慮電機(jī)磁路的磁飽和以及電樞電感隨轉(zhuǎn)子不同位置時(shí)的變化，不計(jì)渦流和磁滯損耗時(shí)，相電壓方程表達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)一相等效電路

一相繞組的輸入功率:

電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式:

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

2 仿真分析

在MATLAB/Simulink 軟件平臺(tái)上建立橫向磁場永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)的仿真模型。為了提高仿真計(jì)算速度，本文只利用Simulink 工具箱中的模塊庫資源，進(jìn)行仿真模型的構(gòu)建。其模型框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)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(jì)算模塊、續(xù)流換向模塊等。

本次試驗(yàn)的電機(jī)反電勢常數(shù)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(gè)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(guān)系如圖5 所示，逆變電路如圖6 所示，電機(jī)采用下橋臂PWM 調(diào)制信號(hào)，導(dǎo)通序列如表1 所示。其中HALL1 控制開通時(shí)刻及開通極性，HALL2 控制關(guān)斷時(shí)刻。兩個(gè)HALL 的位置確定開通超前(滯后)角及導(dǎo)通角度。

圖5 HALL 與開通極性關(guān)系

圖6 逆變電路原理圖

表1 HALL 與導(dǎo)通序列

由于電機(jī)存在續(xù)流，所以在4 個(gè)MOS 管都關(guān)斷時(shí)，電流通過二極管進(jìn)行續(xù)流，此時(shí)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(xù)流過程考慮進(jìn)去。電流與電機(jī)繞組端電壓關(guān)系如圖7 所示。

圖7 電流與電機(jī)繞組端電壓關(guān)系圖

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

完成系統(tǒng)建模后，對電機(jī)在不同導(dǎo)通角及不同超前(滯后)角的運(yùn)行情況進(jìn)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(jī)銅耗與電流平方成正比。通過調(diào)節(jié)位置傳感器，使電機(jī)運(yùn)行在合適的導(dǎo)通角和超前(滯后)角。圖8 為轉(zhuǎn)速200 r/min、轉(zhuǎn)矩100 N·m 時(shí)反電勢與電流的對應(yīng)圖。從圖8(b)中可以看出，最大電流出現(xiàn)在反電勢比較低的區(qū)域，此時(shí)產(chǎn)生的有功功率比較小，但是繞組銅耗卻很大，因此電機(jī)整體效率不高。

圖8 轉(zhuǎn)速200 r/min、轉(zhuǎn)矩100 N·m 時(shí)反電勢與電流對應(yīng)圖

轉(zhuǎn)速200 r/min、轉(zhuǎn)矩100 N·m 時(shí)電機(jī)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(fù)值代表超前)。

表2 不同導(dǎo)通角和滯后角對應(yīng)電機(jī)銅耗比例

從表中可以看出，導(dǎo)通角140°，滯后角為0°時(shí)電機(jī)銅耗比較低。對于電機(jī)控制系統(tǒng)來說，在開關(guān)頻率相同的情況下，MOS 管的導(dǎo)通損耗也與電流平方成正比關(guān)系，因此在導(dǎo)通角140°，滯后角為0°時(shí)控制器損耗也相對較小。

在輸出為200 r/min、轉(zhuǎn)矩100 N·m，不同導(dǎo)通角及滯后角(負(fù)值代表超前)時(shí)的效率對比如表3所示。

表3 額定輸出時(shí)不同導(dǎo)通角和滯后角對應(yīng)母線電流及系統(tǒng)效率

從表3 中可以看出，在導(dǎo)通角140°、滯后角為0°時(shí)電機(jī)系統(tǒng)的整體效率最高，這與之前仿真分析結(jié)果是一致的。

4 結(jié) 語

本文通過對橫向磁場電機(jī)及其控制系統(tǒng)的建模及仿真，分析了方波控制下橫向磁場電機(jī)的電流及銅耗情況。并且通過仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析證實(shí)了該仿真方法的正確性。在橫向磁場電機(jī)方波控制中，可以通過該仿真方法找出合理的滯后角及導(dǎo)通角，大大降低了實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中尋找最佳工作點(diǎn)的工作量，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)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(jìn)浩.橫向磁場永磁電機(jī)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀［J］.微特電機(jī)，2003，31(5):3－5.

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