并列结构混合励磁双凸极电机的建模与仿真

并列结构混合励磁双凸极电机的建模与仿真

0磁桥式混合励磁双凸极电机新型双凸极电机（daublyselenetmagnetmagnetmagnetmagnet代码，pdm）采用开关磁阻电机结构，永磁体配置于恒定的电子体。该电机保留了开关磁阻电机结构简单、控制灵活、效率高的特点,且动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大;在控制上,与无刷直流电机相近。但存在调压困难、不能灭磁进行故障保护的问题。电励磁双凸极电机(doublesalientelectro-magneticmotor,DSEM)在永磁双凸极电机的基础上,用励磁绕组代替原电机的永磁体。结构简单,可靠性高,成本低,特别适用于高速运行。该电机作为电动机时,具有调速性能好、可方便实现4象限运行等优点;作为发电机运行时,不需要位置传感器,通过调节励磁电流的大小来控制输出电压。混合励磁双凸极电机是一种同时具有永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机特点的新型电机,它既综合了永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机的优点,又克服了各自的缺点,从而最大限度地发挥两者的优势。与永磁双凸极电机相比,增设的励磁绕组可以实现宽范围的调速和调压;而与电励磁双凸极电机相比,由于永磁部分的存在,所需的励磁安匝数少,励磁绕组的功率和损耗都将减小,同时还具有较小的励磁时间常数。因此,混合励磁双凸极电机引起了各国学者的高度关注。T.A.Lipo教授等提出的三相混合励磁双凸极电机,通过控制励磁电流的方向和大小来调节气隙磁场,实现弱磁升速。但由于电励磁磁路和永磁磁路为串联结构,永磁铁存在不可逆退磁的风险;除此之外,还提出通过机械力将铁磁材料靠近定子永磁体,“短路”一部分永磁磁通,以达到削弱气隙磁场的目的,但电机结构复杂,不易实现;东南大学程明教授等针对电动汽车应用场合,提出磁桥式混合励磁双凸极电机,引入的磁桥为电励磁提供了额外的通路,从而实现较小的励磁磁势产生较大的磁通调节范围,提高了直流励磁的效率;上海大学江建中教授等提出一种三相定子双馈双凸极电机,通过适当设计永磁体旁并联磁分路的磁阻,用较小电流实现了较大范围磁通控制。1混合励磁双凸极电机的a相静态电势本文研究的并列结构混合励磁电机,其永磁部分励磁磁场由永磁体产生,电励磁部分励磁磁场由励磁绕组产生。电机2部分同轴,均为12/8极结构,定、转子极宽相同,电枢绕组共用。电励磁部分定子上安装有集中励磁绕组,永磁部分定子上安装有稀土永磁体,4块瓦形磁钢对称分布。混合励磁双凸极电机2个部分的剖面图如图1所示。图1(a)为DSEM,图1(b)为DSPM,永磁部分电机与电励磁部分电机用气隙隔开了一段距离,减小电机2部分的耦合。电机2部分的磁通互不关联,经过各自的磁路闭合。通过控制励磁绕组电流的大小和方向,来改变电枢绕组的合成电势,从而实现恒定的电压或宽的转速范围调节。结合机电能量转换知识,可以推导混合励磁双凸极电机的A相空载电势:式中:ψaPM为A相绕组交链的永磁磁链;ψaEM为A相绕组交链的电励磁磁链;eaPM为A相绕组空载永磁电势;eaEM为A相绕组空载电励磁电势。当通正向励磁电流时,ψaPM与ψaEM同相位,eaPM与eaEM也同相位,使混合励磁双凸极电机的空载电势幅值增大。当通负向励磁电流时,ψaPM与ψaEM相位相反,eaPM与eaEM相位也相反,使混合励磁双凸极电机的空载电势幅值减小。因此,混合励磁电机的励磁电流是双向可调的,这不同于常规的电励磁双凸极电机。本文研究的并列式混合励磁双凸极电机样机实际采用的永磁和电励磁部分的长度比例为100:60,为了使发电机的相电势波形接近正弦波,转子采用斜槽结构,斜槽角度为7.5°。电机的定子、转子部分实物照片如图2所示。2电励磁外侧铁心端面线性能力仿真分析与传统的二维有限元仿真相比,三维有限元仿真可真实反映混合励磁双凸极电机的斜槽效应、电枢绕组和励磁绕组的端部效应,得到永磁和电励磁部分二者共同作用的结果。并列结构混合励磁双凸极电机的三维模型依据表1给定参数建立,画出的三维模型如图3所示。为了观察电机气隙中的磁场分布,在永磁部分和电励磁部分的气隙中各取3个圆,圆面分别位于每一段正中间和距各自铁心端面5mm处,以电励磁外侧铁心端面所在位置为零点,如图3的x轴,6个圆的轴向坐标依次为5,30,55,85,130,175mm。图4(a)、图4(b)分别为永磁部分和电励磁部分的气隙磁密分布曲线,2个部分气隙磁密曲线形状类似,转子齿与定子齿的重合部分对应的气隙磁密较大,从气隙磁密曲线上明显看出转子斜槽的影响。图5是不同励磁电流下,输出空载电压仿真波形。图6是不同励磁电流下,输出空载电压实验波形,电机转速均为4200r/min。图5(a)和图6(a)中的励磁电流为8A,图5(b)和图6(b)中的励磁电流为-8A。实验波形验证了三维场仿真结果的正确性。根据双凸极电机绕组与整流单元的不同接法,混合励磁双凸极电机有3种发电方式:开关磁阻发电方式(switchedreluctancegenerator,SRG)、双凸极发电方式1(doublysalientgenerator,DSG1)、双凸极发电方式2(DSG2)。DSG2发电方式下,在转子极滑入和滑出定子极时电机均发电。图6的输出电压Uo是DSG2发电方式下,电容Cf为0时得到的,图7给出DSG2发电方式对应的原理图。在DSG2发电方式下,空载电压的瞬时值为式中:max为最大值函数;min为最小值函数;Ud为二极管导通压降。3发电机的模型建立可以采用场-路混合对双凸极电机控制系统进行仿真研究,这需要建立双凸极电机的有限元模型,计算需要耗费大量的时间。此外,通过对双凸极电机的分析,可以获得磁链方程、电压方程及运动方程等描述的电机模型。由于各方程组成的模型是非线性、时变的,因此该模型不便于进行控制系统的设计。为了对控制系统进行设计仿真,采用对阶跃响应进行辨识的方法获得电机的近似模型。试验系统的输出滤波电容Cf为1000μF,负载电阻Ro为3.5Ω。以励磁电压作为输入,输出量为励磁电流及整流输出电压时的阶跃响应波形如图8所示,励磁电压Uf从零突加到10V,输出电压从100V突变到约120V,励磁电流从0上升到4.3A。利用Matlab的模型辨识工具箱对采集到的数据进行辨识,得到发电机的传递函数:求得极点:p1=-5517,p2=-49.64。对应时间常数:故第1个时间常数对应的极点可以忽略,主导极点对应的时间常数即为励磁时间常数。从图8也可以看出,励磁电流的响应波形与输出电压波形是一致的。因此,发电机的近似传递函数为文献考虑到混合励磁双凸极电机的励磁绕组是双向通电的,设计了如图9所示的双向调压电路。T1和T4的驱动信号相同,T2和T3的驱动信号相同,T1和T2功率管互补导通,T3和T4功率管互补导通。当T1和T4导通时,励磁绕组上加正向电压,而当T2和T3导通时,励磁绕组上加负向电压。数字电压调节器控制的是T1和T4的占空比D,故当D大于0.5时,励磁电流为正;当D小于0.5时,励磁电流为负。为防止调节器输出的占空比过大或过小,保证MOS管可靠工作,占空比D的限制范围为0.03~0.97。在MatlabSimulink中建立系统的模型框图如图10所示,采用数字PI调节器,考虑到实际数字控制器的控制周期为270μs,加入了采样时间为270μs的零阶保持器。与实际程序中的设置一致。设励磁电源电压为Uin,由于双向调压器励磁电流正负可调的特点,励磁电压和占空比的关系为输入电压Uin为50V,则电励磁部分产生的电压,加上永磁部分的100V额定电压输出,即为混合励磁双凸极电机的输出电压。首先,在t=0时刻,参考电压设为110V,在t=0.04s时刻,参考电压变为90V,考查数字调压器的控制效果。经过PID设计工具,选取PI参数为kp=5.5,ki=0.25,响应曲线如图11所示。当参考电压为110V时,输出电压由100V开始上升,有2V的超调,调节时间小于20ms,调压器正向励磁。当参考电压为90V时,输出电压有2.5V左右的超调,调节时间20ms,占空比D小于0.5,说明此时调压器反向励磁。4混合励磁双凸极发电机数字电压调节器如图12所示,采用浮点型数字信号处理器TMS320VC33作为主控制芯片。该芯片上电后会将FLASH中的程序导入到高速RAM中运行。保证了数字信号处理器的程序执行速度。数字电压调节器通过模数转换芯片AD7938采集发电机的输出电压、励磁电流和负载电流。DSP经过PI运算后,由CPLD输出PWM控制信号。混合励磁双凸极发电机由一个直流电动机传动,在混合励磁双凸极发电机负载不同时,电机转速会有所变化。选择负载电流由额定电流的15%到65%突加突卸,实测负载电流为7.17A到31.2A。图13(a)为突加负载波形,在负载7.17A时电机初始转速为6000r/min,励磁电流为-1.09A,突加负载后,输出电压有一个12V的跌落,然后被拉起,在18ms时达到稳定,励磁电流由-1.09A上升到4.44A,电机转速下降到5200r/min,由于电机转速下降是一个缓慢的过程,励磁电流随着转速同步变化,保证输出电压的恒定。图13(b)为突卸负载波形,负载为31.2A时电机初始转速5200r/min,励磁电流为4.44A,突卸负载后,输出电压有一个13V的过冲,然后被拉回,在25ms时达到稳定,励磁电流由4.44A下降到-1.09A,电机转速回到6000r/min,同样由于电机转速下降相对缓慢,励磁电流随着转速同步变化,维持输出电压恒定。5仿真结果与分析1)并列结构的双凸极混合励磁发电机具有良好的励磁磁场调节性能。2)三维场的建模和仿真可以反映混合励磁双凸极电机转子斜槽的效果,并通过空载发电实验加以验证。3)采用对阶跃响应进行辨识的方