并列結(jié)構(gòu)混合勵磁雙凸極電機的建模與仿真

并列結(jié)構(gòu)混合勵磁雙凸極電機的建模與仿真

0磁橋式混合勵磁雙凸極電機新型雙凸極電機（daublyselenetmagnetmagnetmagnetmagnet代碼，pdm）采用開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)，永磁體配置于恒定的電子體。該電機保留了開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、效率高的特點,且動態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)矩/電流比大;在控制上,與無刷直流電機相近。但存在調(diào)壓困難、不能滅磁進行故障保護的問題。電勵磁雙凸極電機(doublesalientelectro-magneticmotor,DSEM)在永磁雙凸極電機的基礎(chǔ)上,用勵磁繞組代替原電機的永磁體。結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,成本低,特別適用于高速運行。該電機作為電動機時,具有調(diào)速性能好、可方便實現(xiàn)4象限運行等優(yōu)點;作為發(fā)電機運行時,不需要位置傳感器,通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小來控制輸出電壓?；旌蟿畲烹p凸極電機是一種同時具有永磁雙凸極電機和電勵磁雙凸極電機特點的新型電機,它既綜合了永磁雙凸極電機和電勵磁雙凸極電機的優(yōu)點,又克服了各自的缺點,從而最大限度地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。與永磁雙凸極電機相比,增設(shè)的勵磁繞組可以實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速和調(diào)壓;而與電勵磁雙凸極電機相比,由于永磁部分的存在,所需的勵磁安匝數(shù)少,勵磁繞組的功率和損耗都將減小,同時還具有較小的勵磁時間常數(shù)。因此,混合勵磁雙凸極電機引起了各國學(xué)者的高度關(guān)注。T.A.Lipo教授等提出的三相混合勵磁雙凸極電機,通過控制勵磁電流的方向和大小來調(diào)節(jié)氣隙磁場,實現(xiàn)弱磁升速。但由于電勵磁磁路和永磁磁路為串聯(lián)結(jié)構(gòu),永磁鐵存在不可逆退磁的風(fēng)險;除此之外,還提出通過機械力將鐵磁材料靠近定子永磁體,“短路”一部分永磁磁通,以達到削弱氣隙磁場的目的,但電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易實現(xiàn);東南大學(xué)程明教授等針對電動汽車應(yīng)用場合,提出磁橋式混合勵磁雙凸極電機,引入的磁橋為電勵磁提供了額外的通路,從而實現(xiàn)較小的勵磁磁勢產(chǎn)生較大的磁通調(diào)節(jié)范圍,提高了直流勵磁的效率;上海大學(xué)江建中教授等提出一種三相定子雙饋雙凸極電機,通過適當(dāng)設(shè)計永磁體旁并聯(lián)磁分路的磁阻,用較小電流實現(xiàn)了較大范圍磁通控制。1混合勵磁雙凸極電機的a相靜態(tài)電勢本文研究的并列結(jié)構(gòu)混合勵磁電機,其永磁部分勵磁磁場由永磁體產(chǎn)生,電勵磁部分勵磁磁場由勵磁繞組產(chǎn)生。電機2部分同軸,均為12/8極結(jié)構(gòu),定、轉(zhuǎn)子極寬相同,電樞繞組共用。電勵磁部分定子上安裝有集中勵磁繞組,永磁部分定子上安裝有稀土永磁體,4塊瓦形磁鋼對稱分布?；旌蟿畲烹p凸極電機2個部分的剖面圖如圖1所示。圖1(a)為DSEM,圖1(b)為DSPM,永磁部分電機與電勵磁部分電機用氣隙隔開了一段距離,減小電機2部分的耦合。電機2部分的磁通互不關(guān)聯(lián),經(jīng)過各自的磁路閉合。通過控制勵磁繞組電流的大小和方向,來改變電樞繞組的合成電勢,從而實現(xiàn)恒定的電壓或?qū)挼霓D(zhuǎn)速范圍調(diào)節(jié)。結(jié)合機電能量轉(zhuǎn)換知識,可以推導(dǎo)混合勵磁雙凸極電機的A相空載電勢:式中:ψaPM為A相繞組交鏈的永磁磁鏈;ψaEM為A相繞組交鏈的電勵磁磁鏈;eaPM為A相繞組空載永磁電勢;eaEM為A相繞組空載電勵磁電勢。當(dāng)通正向勵磁電流時,ψaPM與ψaEM同相位,eaPM與eaEM也同相位,使混合勵磁雙凸極電機的空載電勢幅值增大。當(dāng)通負(fù)向勵磁電流時,ψaPM與ψaEM相位相反,eaPM與eaEM相位也相反,使混合勵磁雙凸極電機的空載電勢幅值減小。因此,混合勵磁電機的勵磁電流是雙向可調(diào)的,這不同于常規(guī)的電勵磁雙凸極電機。本文研究的并列式混合勵磁雙凸極電機樣機實際采用的永磁和電勵磁部分的長度比例為100:60,為了使發(fā)電機的相電勢波形接近正弦波,轉(zhuǎn)子采用斜槽結(jié)構(gòu),斜槽角度為7.5°。電機的定子、轉(zhuǎn)子部分實物照片如圖2所示。2電勵磁外側(cè)鐵心端面線性能力仿真分析與傳統(tǒng)的二維有限元仿真相比,三維有限元仿真可真實反映混合勵磁雙凸極電機的斜槽效應(yīng)、電樞繞組和勵磁繞組的端部效應(yīng),得到永磁和電勵磁部分二者共同作用的結(jié)果。并列結(jié)構(gòu)混合勵磁雙凸極電機的三維模型依據(jù)表1給定參數(shù)建立,畫出的三維模型如圖3所示。為了觀察電機氣隙中的磁場分布,在永磁部分和電勵磁部分的氣隙中各取3個圓,圓面分別位于每一段正中間和距各自鐵心端面5mm處,以電勵磁外側(cè)鐵心端面所在位置為零點,如圖3的x軸,6個圓的軸向坐標(biāo)依次為5,30,55,85,130,175mm。圖4(a)、圖4(b)分別為永磁部分和電勵磁部分的氣隙磁密分布曲線,2個部分氣隙磁密曲線形狀類似,轉(zhuǎn)子齒與定子齒的重合部分對應(yīng)的氣隙磁密較大,從氣隙磁密曲線上明顯看出轉(zhuǎn)子斜槽的影響。圖5是不同勵磁電流下,輸出空載電壓仿真波形。圖6是不同勵磁電流下,輸出空載電壓實驗波形,電機轉(zhuǎn)速均為4200r/min。圖5(a)和圖6(a)中的勵磁電流為8A,圖5(b)和圖6(b)中的勵磁電流為-8A。實驗波形驗證了三維場仿真結(jié)果的正確性。根據(jù)雙凸極電機繞組與整流單元的不同接法,混合勵磁雙凸極電機有3種發(fā)電方式:開關(guān)磁阻發(fā)電方式(switchedreluctancegenerator,SRG)、雙凸極發(fā)電方式1(doublysalientgenerator,DSG1)、雙凸極發(fā)電方式2(DSG2)。DSG2發(fā)電方式下,在轉(zhuǎn)子極滑入和滑出定子極時電機均發(fā)電。圖6的輸出電壓Uo是DSG2發(fā)電方式下,電容Cf為0時得到的,圖7給出DSG2發(fā)電方式對應(yīng)的原理圖。在DSG2發(fā)電方式下,空載電壓的瞬時值為式中:max為最大值函數(shù);min為最小值函數(shù);Ud為二極管導(dǎo)通壓降。3發(fā)電機的模型建立可以采用場-路混合對雙凸極電機控制系統(tǒng)進行仿真研究,這需要建立雙凸極電機的有限元模型,計算需要耗費大量的時間。此外,通過對雙凸極電機的分析,可以獲得磁鏈方程、電壓方程及運動方程等描述的電機模型。由于各方程組成的模型是非線性、時變的,因此該模型不便于進行控制系統(tǒng)的設(shè)計。為了對控制系統(tǒng)進行設(shè)計仿真,采用對階躍響應(yīng)進行辨識的方法獲得電機的近似模型。試驗系統(tǒng)的輸出濾波電容Cf為1000μF,負(fù)載電阻Ro為3.5Ω。以勵磁電壓作為輸入,輸出量為勵磁電流及整流輸出電壓時的階躍響應(yīng)波形如圖8所示,勵磁電壓Uf從零突加到10V,輸出電壓從100V突變到約120V,勵磁電流從0上升到4.3A。利用Matlab的模型辨識工具箱對采集到的數(shù)據(jù)進行辨識,得到發(fā)電機的傳遞函數(shù):求得極點:p1=-5517,p2=-49.64。對應(yīng)時間常數(shù):故第1個時間常數(shù)對應(yīng)的極點可以忽略,主導(dǎo)極點對應(yīng)的時間常數(shù)即為勵磁時間常數(shù)。從圖8也可以看出,勵磁電流的響應(yīng)波形與輸出電壓波形是一致的。因此,發(fā)電機的近似傳遞函數(shù)為文獻考慮到混合勵磁雙凸極電機的勵磁繞組是雙向通電的,設(shè)計了如圖9所示的雙向調(diào)壓電路。T1和T4的驅(qū)動信號相同,T2和T3的驅(qū)動信號相同,T1和T2功率管互補導(dǎo)通,T3和T4功率管互補導(dǎo)通。當(dāng)T1和T4導(dǎo)通時,勵磁繞組上加正向電壓,而當(dāng)T2和T3導(dǎo)通時,勵磁繞組上加負(fù)向電壓。數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器控制的是T1和T4的占空比D,故當(dāng)D大于0.5時,勵磁電流為正;當(dāng)D小于0.5時,勵磁電流為負(fù)。為防止調(diào)節(jié)器輸出的占空比過大或過小,保證MOS管可靠工作,占空比D的限制范圍為0.03~0.97。在MatlabSimulink中建立系統(tǒng)的模型框圖如圖10所示,采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)器,考慮到實際數(shù)字控制器的控制周期為270μs,加入了采樣時間為270μs的零階保持器。與實際程序中的設(shè)置一致。設(shè)勵磁電源電壓為Uin,由于雙向調(diào)壓器勵磁電流正負(fù)可調(diào)的特點,勵磁電壓和占空比的關(guān)系為輸入電壓Uin為50V,則電勵磁部分產(chǎn)生的電壓,加上永磁部分的100V額定電壓輸出,即為混合勵磁雙凸極電機的輸出電壓。首先,在t=0時刻,參考電壓設(shè)為110V,在t=0.04s時刻,參考電壓變?yōu)?0V,考查數(shù)字調(diào)壓器的控制效果。經(jīng)過PID設(shè)計工具,選取PI參數(shù)為kp=5.5,ki=0.25,響應(yīng)曲線如圖11所示。當(dāng)參考電壓為110V時,輸出電壓由100V開始上升,有2V的超調(diào),調(diào)節(jié)時間小于20ms,調(diào)壓器正向勵磁。當(dāng)參考電壓為90V時,輸出電壓有2.5V左右的超調(diào),調(diào)節(jié)時間20ms,占空比D小于0.5,說明此時調(diào)壓器反向勵磁。4混合勵磁雙凸極發(fā)電機數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器如圖12所示,采用浮點型數(shù)字信號處理器TMS320VC33作為主控制芯片。該芯片上電后會將FLASH中的程序?qū)氲礁咚賀AM中運行。保證了數(shù)字信號處理器的程序執(zhí)行速度。數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7938采集發(fā)電機的輸出電壓、勵磁電流和負(fù)載電流。DSP經(jīng)過PI運算后,由CPLD輸出PWM控制信號。混合勵磁雙凸極發(fā)電機由一個直流電動機傳動,在混合勵磁雙凸極發(fā)電機負(fù)載不同時,電機轉(zhuǎn)速會有所變化。選擇負(fù)載電流由額定電流的15%到65%突加突卸,實測負(fù)載電流為7.17A到31.2A。圖13(a)為突加負(fù)載波形,在負(fù)載7.17A時電機初始轉(zhuǎn)速為6000r/min,勵磁電流為-1.09A,突加負(fù)載后,輸出電壓有一個12V的跌落,然后被拉起,在18ms時達到穩(wěn)定,勵磁電流由-1.09A上升到4.44A,電機轉(zhuǎn)速下降到5200r/min,由于電機轉(zhuǎn)速下降是一個緩慢的過程,勵磁電流隨著轉(zhuǎn)速同步變化,保證輸出電壓的恒定。圖13(b)為突卸負(fù)載波形,負(fù)載為31.2A時電機初始轉(zhuǎn)速5200r/min,勵磁電流為4.44A,突卸負(fù)載后,輸出電壓有一個13V的過沖,然后被拉回,在25ms時達到穩(wěn)定,勵磁電流由4.44A下降到-1.09A,電機轉(zhuǎn)速回到6000r/min,同樣由于電機轉(zhuǎn)速下降相對緩慢,勵磁電流隨著轉(zhuǎn)速同步變化,維持輸出電壓恒定。5仿真結(jié)果與分析1)并列結(jié)構(gòu)的雙凸極混合勵磁發(fā)電機具有良好的勵磁磁場調(diào)節(jié)性能。2)三維場的建模和仿真可以反映混合勵磁雙凸極電機轉(zhuǎn)子斜槽的效果,并通過空載發(fā)電實驗加以驗證。3)采用對階躍響應(yīng)進行辨識的方