摘 要：本文以一台12/8 极电励磁双凸极电机为研究对象，介绍了标准角度控制、提前角度控制和新型开关角控制三种电动控制方式。在有限元法分析计算的基础上，对三者进行分析比较，并对其稳态运行过程进行仿真分析。结果表明：双凸极电机能在标准角度控制下实现低速的大输出转矩;而提前角度控制能提高双凸极电机在中、高速时的出力;新型开关角控制能在保证电机输出功率的情况下降低输出转矩脉动。
关键词：电励磁;双凸极电机;有限元法;控制方式
引言
双凸极电机(Doubly salient motor, DSM)是随着新型高磁能积永磁材料以及功率电子学和微电子学的飞速发展，在上世纪90 年代提出的一种新型高效节能电机。因其结构简单、工作可靠、重量轻、体积小、成本低、功率密度高、效率高、可控参数多、容错性能好等优点，自90 年代中期出现以来，得到了越来越多的关注，具有极其广阔的研究前景。各国学者对此作了大量的研究工作，提出了各种结构的双凸极样机，并对电机特性进行了深入的分析，为双凸极电机的进一步发展打下了基础。国外，以美国T.A.Lipo 教授为代表，主要针对各种6/4 极或4/6 双凸极永磁电机进行了深入的研究;国内，东南大学和华中科技大学针对各种结构形式的双凸极永磁电机作了许多研究工作。南京航空航天大学在双凸极永磁电机的基础上提出了电励磁双凸极电机(Doubly salient electromagneticmotor, DSEM),并进行了研究工作[1~4]。DSEM 作为一种新型电机，目前现有文献对其作电动运行的研究较少。文献[5]研究了DSEM 两种控制方式，其中控制方式I 适合于低速、重载运行，控制方式II 适合于高速、轻载运行。文献[6]运用提前角度控制，能提高电机在高速时的转矩和输出功率。文献[7]提出了DSPM 的新型开关角控制策略，减小了电机转矩脉动。本文在现有对双凸极电机结构、静态特性等理论研究基础上，从实际应用出发，对双凸极电机稳态运行过程中的输出特性进行了一些初步分析和研究。本文针对不同控制策略，以一台200KW 12000rpm12/8 极电励磁双凸极电机为研究对象，根据有限元法仿真分析其稳态运行过程，并对各种控制方法进行分析与比较。
1 电励磁双凸极电机的基本概念
1.1 系统构成
图1 为本文所研究的12/8 极电励磁双凸极电机的截面图(尺寸单位：mm)。图中为转子位置角为0°时的位置，转子以图中所示方向作电动运行。双凸极电机系统作电动运行时，必须配备位置传感器、功率变换器和控制器。本系统中，功率变换器采用三相桥式电路，其拓扑见图2。
1.2 转矩计算
根据有限元分析，励磁绕组的自感Lf 随转子位置改变的变化不大，因此可忽略励磁绕组自感引起的转矩，其电机输出转矩Te由两部分组成：
其中， r T 为电枢绕组自感随转子位置角rθ 变化而产生的转矩，称为磁阻转矩，和电枢电流的方向无关;Tf 为电枢绕组匝链的励磁绕组产生的磁链随转子位置角rθ 变化而产生的转矩，称为励磁转矩，和电枢电流方向相关。结合有限元计算结果，可以计算出Tr的平均值约为Tf 平均值的1/20~1/25，因此，励磁转矩为输出转矩的主要构成部分。
1.3 空载三相磁链曲线
空载时，电励磁双凸极电机电枢绕组所匝链的磁链是转子位置角的函数。在有限元分析的基础上，对电机的三相电枢上匝链磁链进行线性化处理，得到图3 所示的三相磁链与转子位置角的线性化关系曲线。其中，转子位置角范围为0°~45°，相当于360°电角度。在电机电动运行过程中，励磁电流i f 为恒定值，每相电枢绕组产生的感应电势为
2 电动控制方式
经理论与有限元分析，电励磁双凸极电机的反电势波形呈现近似方波，因而其控制方式与无刷永磁电机不同，而与开关磁阻电机类似，主要采用开关角控制与电流斩波相结合的方式。下面予以详细介绍。
2.1 标准角度控制
标准角度控制的通电原则是：当电机转子处于某一位置时，电机有两相电枢绕组同时工作，空载反电势为正的相绕组接电源正端，通以正向电流;空载反电势为负的相绕组接电源负端，通以负向电流;另外一相不通电。电机输出转矩为两相电枢绕组励磁转矩之和，磁阻转矩的平均值为零。其导通规律如表1。
2.2 提前角度控制
在标准角度控制下，电机转速较高，电枢绕组内电流上升率较小，导致每个工作区间内电流平均值很低，制约了电机出力。为提高电机在高速时的输出转矩，必须提高开关管开通时的电流上升率，以加大电枢电流，为此可通过提前角度控制来实现。
2.3 新型开关角控制
对于DSEM，无论标准角度控制还是提前角度控制，由于同一桥臂上、下管驱动信号之间存在死区时间，这会使得绕组中电流瞬时降到零，系统对外输出转矩瞬时为零，存在换相转矩脉动，影响了电机出力。为了减小转矩脉动，又要保证主电路不发生直通，可将每一对导通的上桥臂功率开关管的导通信号比标准角度控制提前θ 角，而把下桥臂功率开关管的关断信号比标准滞后θ 角，则可以消除死区时间而避免换相转矩脉动，同时延长了开关管的导通区间，提高电机出力。电机转子在区间(0°,45°)内主电路各功率管的导通规律如图7 所示。
从图7 可以看出，三相电流正向导通区间比标准角度控制提前θ 角，负向导通区比标准角度控制滞后θ 角，在控制上，即把图2 中三相全桥变换器的T1、T3、T5 提前θ 角导通，T2、T4、T6 滞后θ 角关断。由于6 个功率开关管的导通区间比标准角度控制略有增大，因此三相电流导通区间会在换相前后相互重叠。在标准角度换相时刻，如图7 中15°、30°、45°前后θ角区间三相同时导通，其中一相电流幅值为另外两相电流幅值之和;其他区间为两相导通，与标准角度控制相同。该导通方式在一个周期内存在两相导通和三相导通的不断切换。
3 仿真研究
以图1 所示12/8 极电励磁双凸极电机系统为研究对象，在电机有限元分析基础上，建立系统稳态运行仿真模型，观察电机输出特性。仿真中，励磁电流50A，直流母线电压Udc 为510V，电流限幅值800A，电机转子转速稳定在12000rpm，分别建立基于标准角度控制、提前角度控制、新型开关角控制的仿真模型。标准角度控制下的电流波形和转矩波形如图8、图9 所示。可以看出，在标准角度控制下，由于电机转速很高，电枢绕组内电流上升率较小，在一个换相周期内绕组电流刚好上升到电流斩波限，每个工作区间内电流平均值很低，电机出力较小。
图10 中可以看出，对于本电机而言，角度提前量为35°电角度时，输出转矩达到最大。此时，电机相电流与输出转矩波形如图11、12 所示。
升率较大，能很快达到斩波限，相电流有效值较大，电机输出转矩较高，输出功率较标准角度控制方式大幅提高。但是提前角度控制方式引入了负向转矩，转矩脉动明显大于标准角度控制。图 13、14 为新型开关角控制下，上管超前、下管滞后机械角度θ 为2°时相电流与输出转矩波形。
开关角控制的输出转矩波形比较平稳，脉动较小，而输出转矩较大，换相造成的电机转矩脉动大幅度降低。该新型开关角控制也可应用在提前角度控制系统中。图15、16 为提前电角度8°控制，上管超前、下管滞后机械角度θ 为2°时a 相电流与输出转矩波形。可以看出，提前角度控制增大了电机输出转矩，而新型开关角控制降低了电机转矩脉动。
4 结论
本文针对DSEM 的标准角度控制、提前角度控制以及新型开关角控制等各种电动控制策略进行仿真和分析，得到以下结论：
(1) 双凸极电机在标准角度控制下能实现低速的大输出转矩;
(2) 提前角度控制能提高双凸极电机在中、高转速下的出力，但同时也引进了负向转矩，增大了转矩脉动;
(3) 新型开关角控制能在保证电机输出功率的情况下降低输出转矩脉动。
参考文献
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[7] 马长山,周波.永磁式双凸极电机新型开通关断角控制策略[J].中国电机工程学报, 2007, 27(24):68~73.
作者简介：
陆欢(1988—)，男，江苏人，硕士研究生，主要研
究方向为电机与电器。E-mail: luhuan1024@gmail.com
