新型模塊化磁通切換永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)建模與仿真研究
徐磊，程明，趙文祥
（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心，南京210096）
摘要：磁通切換永磁（fspm）電機是一種新型定子永磁型電機，具有功率密度高、效率高等優(yōu)點。為提高其容錯性能，提出了一種具有模塊化結(jié)構(gòu)的fspm（m-fspm）電機。建立了該電機定子／轉(zhuǎn)子坐標系下的數(shù)學(xué)模型，驗證了矢量控制應(yīng)用于m-fspm電機的可行性。運用matlab/simulink仿真軟件搭建了m-fspm電機系統(tǒng)的仿真模型。研究結(jié)果表明，m-fspm電機是一種新型容錯電機，具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：永磁電機；模塊化；容錯；仿真中圍分類號：tm351 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848( 2010)03-0037。05
o引言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電機的應(yīng)用涉及到軍事、民用等各個領(lǐng)域。但是，由于電機及其驅(qū)動系統(tǒng)總是存在著一定的故障率，因此其可靠
性問題越來越引起人們的關(guān)注，特別是在航空航天等對連續(xù)運行有較高要求的領(lǐng)域，對電機可靠性的要求就更加嚴格。
永磁電機由于使用高性能永磁材料作為勵磁源，具有體積小、效率離、功率密度高等優(yōu)點。研究表明，定子永磁型電機在兼具轉(zhuǎn)子永磁型電機諸多優(yōu)點的基礎(chǔ)上其永磁體置于定子的結(jié)構(gòu)降低了發(fā)生轉(zhuǎn)子機械故障和永磁體高溫退磁故障的可能性。已有學(xué)者對雙凸極永磁( dspm)電機的容錯性能進行了分析和研究1。而近期研究表明，磁通切換永磁( fspm)電機在功率密度、轉(zhuǎn)矩性能等方面較dspm屯機優(yōu)勢明顯。但是，由于自身結(jié)構(gòu)特性的限制，fspm電機的相間互感較dspm電機偏大，這在一定程度上限制了fspm電機的容錯運行能力。盡管已有國外學(xué)者為這一技術(shù)難題提出了解決方但仍存在諸多不足，如電機的反電勢諧波較大、幅值不對稱等。
為此，本文提出一種模塊化fspm( m-fspm)電機結(jié)構(gòu)。該電機是在保留fspm電機高轉(zhuǎn)矩性能的基礎(chǔ)上，引入模塊化繞組結(jié)構(gòu)的一種新型定子永磁型電機。通過在定子齒部引入了容錯齒，實現(xiàn)相間解耦，進一步提高電機的容錯運行性能。本文基于matlab/simulink，建立了一臺三相12/14極m-fspm電機的仿真調(diào)速系統(tǒng)，對電機的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能進行了分析研究。
1 運行原理與特性
圖1為一臺三相12/14極m-fspm電機的截面圖。m-fspm電機與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的12/10極fspm電機結(jié)構(gòu)較為相似，它由12個定子齒、12個容錯齒以及14個轉(zhuǎn)子齒組成。圖2為該電機在1 000 r/min時的三相空載反電勢波形。由圖可見，反電勢正弦度較好，三相反電勢互差120度。由于定子上容錯齒的引入，使得一相的磁力線不再像fspm電機那樣從相鄰相穿過，而是從容錯齒穿出，到達氣隙和轉(zhuǎn)子，實現(xiàn)了磁路的解耦。
表l對比了具有同樣電機外徑和繞組匝數(shù)的2臺fspm電機與m-fspm電機的自感和互感情況。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，互感與自感的比例由fspm電機的近47.8 010降低到了m-fspm電機的百分之19. 3，所提出的電機在磁路獨立性方面的性能提升較為明顯。
2數(shù)學(xué)模型
三相m-fspm電機數(shù)學(xué)模型為
假設(shè)運行于永磁交流無刷( blac)方式的mfspm電機，其三相電樞電流與每相反電動勢波形保持同相位，可以表示為：
其中，l為每相電樞電流幅值，p。為轉(zhuǎn)子極數(shù)，θ為轉(zhuǎn)子位置角。
通過派克變換可得到轉(zhuǎn)子坐標系下的直軸電流、交軸電流以及零軸電流滿足：
變換得到的交軸電流等于定子坐標系下的正弦電流幅值，而直軸相零軸電流都為零。
電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：
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