摘 要：本文以一臺12/8 極電勵磁雙凸極電機為研究對象，介紹了標準角度控制、提前角度控制和新型開關角控制三種電動控制方式。在有限元法分析計算的基礎上，對三者進行分析比較，并對其穩態運行過程進行仿真分析。結果表明：雙凸極電機能在標準角度控制下實現低速的大輸出轉矩;而提前角度控制能提高雙凸極電機在中、高速時的出力;新型開關角控制能在保證電機輸出功率的情況下降低輸出轉矩脈動。
關鍵詞：電勵磁;雙凸極電機;有限元法;控制方式
引言
雙凸極電機(Doubly salient motor, DSM)是隨著新型高磁能積永磁材料以及功率電子學和微電子學的飛速發展，在上世紀90 年代提出的一種新型高效節能電機。因其結構簡單、工作可靠、重量輕、體積小、成本低、功率密度高、效率高、可控參數多、容錯性能好等優點，自90 年代中期出現以來，得到了越來越多的關注，具有極其廣闊的研究前景。各國學者對此作了大量的研究工作，提出了各種結構的雙凸極樣機，并對電機特性進行了深入的分析，為雙凸極電機的進一步發展打下了基礎。國外，以美國T.A.Lipo 教授為代表，主要針對各種6/4 極或4/6 雙凸極永磁電機進行了深入的研究;國內，東南大學和華中科技大學針對各種結構形式的雙凸極永磁電機作了許多研究工作。南京航空航天大學在雙凸極永磁電機的基礎上提出了電勵磁雙凸極電機(Doubly salient electromagneticmotor, DSEM),并進行了研究工作[1~4]。DSEM 作為一種新型電機，目前現有文獻對其作電動運行的研究較少。文獻[5]研究了DSEM 兩種控制方式，其中控制方式I 適合于低速、重載運行，控制方式II 適合于高速、輕載運行。文獻[6]運用提前角度控制，能提高電機在高速時的轉矩和輸出功率。文獻[7]提出了DSPM 的新型開關角控制策略，減小了電機轉矩脈動。本文在現有對雙凸極電機結構、靜態特性等理論研究基礎上，從實際應用出發，對雙凸極電機穩態運行過程中的輸出特性進行了一些初步分析和研究。本文針對不同控制策略，以一臺200KW 12000rpm12/8 極電勵磁雙凸極電機為研究對象，根據有限元法仿真分析其穩態運行過程，并對各種控制方法進行分析與比較。
1 電勵磁雙凸極電機的基本概念
1.1 系統構成
圖1 為本文所研究的12/8 極電勵磁雙凸極電機的截面圖(尺寸單位：mm)。圖中為轉子位置角為0°時的位置，轉子以圖中所示方向作電動運行。雙凸極電機系統作電動運行時，必須配備位置傳感器、功率變換器和控制器。本系統中，功率變換器采用三相橋式電路，其拓撲見圖2。
1.2 轉矩計算
根據有限元分析，勵磁繞組的自感Lf 隨轉子位置改變的變化不大，因此可忽略勵磁繞組自感引起的轉矩，其電機輸出轉矩Te由兩部分組成：
其中， r T 為電樞繞組自感隨轉子位置角rθ 變化而產生的轉矩，稱為磁阻轉矩，和電樞電流的方向無關;Tf 為電樞繞組匝鏈的勵磁繞組產生的磁鏈隨轉子位置角rθ 變化而產生的轉矩，稱為勵磁轉矩，和電樞電流方向相關。結合有限元計算結果，可以計算出Tr的平均值約為Tf 平均值的1/20~1/25，因此，勵磁轉矩為輸出轉矩的主要構成部分。
1.3 空載三相磁鏈曲線
空載時，電勵磁雙凸極電機電樞繞組所匝鏈的磁鏈是轉子位置角的函數。在有限元分析的基礎上，對電機的三相電樞上匝鏈磁鏈進行線性化處理，得到圖3 所示的三相磁鏈與轉子位置角的線性化關系曲線。其中，轉子位置角范圍為0°~45°，相當于360°電角度。在電機電動運行過程中，勵磁電流i f 為恒定值，每相電樞繞組產生的感應電勢為
2 電動控制方式
經理論與有限元分析，電勵磁雙凸極電機的反電勢波形呈現近似方波，因而其控制方式與無刷永磁電機不同，而與開關磁阻電機類似，主要采用開關角控制與電流斬波相結合的方式。下面予以詳細介紹。
2.1 標準角度控制
標準角度控制的通電原則是：當電機轉子處于某一位置時，電機有兩相電樞繞組同時工作，空載反電勢為正的相繞組接電源正端，通以正向電流;空載反電勢為負的相繞組接電源負端，通以負向電流;另外一相不通電。電機輸出轉矩為兩相電樞繞組勵磁轉矩之和，磁阻轉矩的平均值為零。其導通規律如表1。
2.2 提前角度控制
在標準角度控制下，電機轉速較高，電樞繞組內電流上升率較小，導致每個工作區間內電流平均值很低，制約了電機出力。為提高電機在高速時的輸出轉矩，必須提高開關管開通時的電流上升率，以加大電樞電流，為此可通過提前角度控制來實現。
2.3 新型開關角控制
對于DSEM，無論標準角度控制還是提前角度控制，由于同一橋臂上、下管驅動信號之間存在死區時間，這會使得繞組中電流瞬時降到零，系統對外輸出轉矩瞬時為零，存在換相轉矩脈動，影響了電機出力。為了減小轉矩脈動，又要保證主電路不發生直通，可將每一對導通的上橋臂功率開關管的導通信號比標準角度控制提前θ 角，而把下橋臂功率開關管的關斷信號比標準滯后θ 角，則可以消除死區時間而避免換相轉矩脈動，同時延長了開關管的導通區間，提高電機出力。電機轉子在區間(0°,45°)內主電路各功率管的導通規律如圖7 所示。
從圖7 可以看出，三相電流正向導通區間比標準角度控制提前θ 角，負向導通區比標準角度控制滯后θ 角，在控制上，即把圖2 中三相全橋變換器的T1、T3、T5 提前θ 角導通，T2、T4、T6 滯后θ 角關斷。由于6 個功率開關管的導通區間比標準角度控制略有增大，因此三相電流導通區間會在換相前后相互重疊。在標準角度換相時刻，如圖7 中15°、30°、45°前后θ角區間三相同時導通，其中一相電流幅值為另外兩相電流幅值之和;其他區間為兩相導通，與標準角度控制相同。該導通方式在一個周期內存在兩相導通和三相導通的不斷切換。
3 仿真研究
以圖1 所示12/8 極電勵磁雙凸極電機系統為研究對象，在電機有限元分析基礎上，建立系統穩態運行仿真模型，觀察電機輸出特性。仿真中，勵磁電流50A，直流母線電壓Udc 為510V，電流限幅值800A，電機轉子轉速穩定在12000rpm，分別建立基于標準角度控制、提前角度控制、新型開關角控制的仿真模型。標準角度控制下的電流波形和轉矩波形如圖8、圖9 所示?？梢钥闯觯跇藴式嵌瓤刂葡?，由于電機轉速很高，電樞繞組內電流上升率較小，在一個換相周期內繞組電流剛好上升到電流斬波限，每個工作區間內電流平均值很低，電機出力較小。
圖10 中可以看出，對于本電機而言，角度提前量為35°電角度時，輸出轉矩達到最大。此時，電機相電流與輸出轉矩波形如圖11、12 所示。
升率較大，能很快達到斬波限，相電流有效值較大，電機輸出轉矩較高，輸出功率較標準角度控制方式大幅提高。但是提前角度控制方式引入了負向轉矩，轉矩脈動明顯大于標準角度控制。圖 13、14 為新型開關角控制下，上管超前、下管滯后機械角度θ 為2°時相電流與輸出轉矩波形。
開關角控制的輸出轉矩波形比較平穩，脈動較小，而輸出轉矩較大，換相造成的電機轉矩脈動大幅度降低。該新型開關角控制也可應用在提前角度控制系統中。圖15、16 為提前電角度8°控制，上管超前、下管滯后機械角度θ 為2°時a 相電流與輸出轉矩波形。可以看出，提前角度控制增大了電機輸出轉矩，而新型開關角控制降低了電機轉矩脈動。
4 結論
本文針對DSEM 的標準角度控制、提前角度控制以及新型開關角控制等各種電動控制策略進行仿真和分析，得到以下結論：
(1) 雙凸極電機在標準角度控制下能實現低速的大輸出轉矩;
(2) 提前角度控制能提高雙凸極電機在中、高轉速下的出力，但同時也引進了負向轉矩，增大了轉矩脈動;
(3) 新型開關角控制能在保證電機輸出功率的情況下降低輸出轉矩脈動。
參考文獻
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[7] 馬長山,周波.永磁式雙凸極電機新型開通關斷角控制策略[J].中國電機工程學報, 2007, 27(24):68~73.
作者簡介：
陸歡(1988—)，男，江蘇人，碩士研究生，主要研
究方向為電機與電器。E-mail: luhuan1024@gmail.com
