整距绕组双凸极永磁电机相电流驱动开关控制策略

周智庆, 龙庆文,叶树林, 田 英

(1.佛山科学技术学院，佛山 528225; 2.广东交通职业技术学院，广州 510650)

0 引 言

双凸极永磁(以下简称DSPM)电机在20世纪90年代被提出[1]，结构简单坚固、效率和能量密度高等特征使得DSPM电机在工业中获得应用优势，各国学者对其进行了广泛的研究，提出了各种不同的DSPM电机，有力地促进了DSPM电机的进一步发展。DSPM的研究主要包括两方面：电机本体和开关驱动控制电路[2-10]。关于定子永磁式的双凸极结构两相电机，较早地在文献[11]中进行了深入研究，通过错开的双定子结构，明显地削弱了输出扭矩波动，同时由于相绕组180°电角度的导通角度，获得了更大的扭矩密度，由于采用错开双体定子结构，扭矩/功率体积密度降低，同时铜耗增加，漏磁增加，因而需要多的永磁体。类似的两相电机出现在专利文献[12]中，针对文献[11]中两相电机出现的问题及其缺陷，文献[13]提出了一种两相分布绕组双凸极永磁电机，12/8极结构，磁链几乎为单极性，然而，每相绕组磁链拥有集中绕组两倍的变化率，因而，每相绕组拥有更高的反电动势。分析显示，同等条件下，其拥有更高的功率密度，然而没有揭示其控制方法。显然，与文献[12]中的两相电机相比，由于定转子极数比不同，导致两相绕组的工作原理存在很大的差异，从而控制策略会有较大的不同。

本文就文献[13]中提出的整距绕组双凸极永磁电机(以下简称FMDSPM电机)，以某6/4极两相FMDSPM电机为例，如图1所示，对其磁链分布和电流通断策略进行分析，得出四状态开关控制策略，实验验证非线性模型输出的反电动势，通过非线性动态分析进一步验证四状态开关控制策略的有效性。

图1 电机结构

1 工作原理

1.1扭矩产生原理

对于FMDSPM电机，沿电机转子旋转方向，相绕组两侧的三个定子极中，磁场滑入或滑出的那个定子极处于产生扭矩的状态，因此，FMDSPM电机中的所有定子极都会处于输出扭矩的状态；而对于DSPM电机，理论上，总有一个定子极没有输出扭矩。尽管存在上述差异，但FMDSPM电机扭矩产生基本原理和DSPM电机基本是一样的，从而，扭矩产生机理同样可表述如下：

(1)

式中：v为相绕组两端电压；R为相绕组电阻；i为相绕组电流；e为相绕组反电动势；λ为相绕组磁链；λm为永磁磁链；L为相绕组电感；Pe为输入功率；WC为相绕组储能，决定于电感和电流，一般很小，可忽略。从Te表达式可以看出，在忽略槽扭矩的情况下，输出扭矩Te由两部分组成，Te表达式中第一项代表由相绕组电感变化产生的磁阻扭矩，显然，和现有的DSPM电机一样，呈现周期性变化，第二项为永磁扭矩，由于产生扭矩的定子极处于高度饱和中，因此，Te表达式中第一项很小，输出扭矩主要为永磁扭矩。

1.2驱动开关电路通断模态分析

图1为转子位置为0时的位置，在一个90°机械角度内，相绕组磁链变化一个周期，如图2所示，磁

图2 磁链和电流通断

链几乎为单极性。图3为本设计采用的双H桥驱动电路，每个H桥驱动一相绕组。

图3 驱动开关电路

根据扭矩产生原理，在磁链的上升阶段和下降阶段都将产生扭矩输出，此时相应的绕组电流为正值或者负值，从而得出的相电流理想的开通关断曲线(图2)。

根据以上分析，相电流导通态存在两个大区域，分别为m1和m2，其中每个区域又存在两个状态，m1-1或者m1-2和m1-3，以及m2-1或者m2-2和m2-3，从而得出的开关通断策略如表1所示，构成了本文的四状态开关通断控制策略，其导通角度仅仅分别只有30°和12°以及30°和18°。进一步可以观察到，两相FMDSPM电机每相电流的开通关断角度位置可调整空间较大，因而，稳态扭矩输出的速度范围可以明显扩大，既可以两相连续单相工作形成的两相电机，也可以双相同时工作形成的两相电机，根据应用场合而定。

表1 每个模态中开关通断表

2 非线性分析

2.1计算结果及其验证

非线性有限元模型计算方法是求证最常用的方法，得到了业界普遍认同。所设计的6/4极FMDSPM电机有限元求解模型如图4所示，通过计算后，得到相绕组磁链分布示于图5中，图5中同时也包含了对磁链求微分所得到的反电动势波形。通过实验求证所得到的反电动势波形,如图6所示，可以看到，有限元求解的结果和实验求证具有较好的一致性。

图4 分析计算模型

图5 两相绕组磁链和反电动势波形

图6 两相绕组反电动势实测波形

2.2动态分析模型

利用动态分析模型，通过非线性进行动态求解，基于以上分析的实证结果，求证四状态开关相电流通断控制策略有效性。动态分析模型如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

每个模态的分析模型计算方法此处省略，请参考文献[7-8]。

3 结果讨论

分析结果如图7所示，图7中标识出了m1大区中的m1-1和m1-2以及m1-3三个子区域(点画线框)，m2大区类似。从图7中看出，扭矩输出保持较好的

图7 四状态控制法相电流通断和扭矩输出

连续性和稳定性，电流峰值4 A，单斩控制，输出扭矩平均值约为1.4 N·m；显示出四状态相电流通断开关控制法的合理性和有效性。

必须指出，由于磁场空间分布不均匀导致非线性，以及对输出扭矩品质要求，相电流开关角度应该有所调整，如图7中A和B标识之处所示.同时相电流之间的切换角度也对输出具有明显影响，如图7中椭圆标识处，由于相电流切换角度处理不当，产生明显相电流切换扭矩波动。

4 结 语

本文研究了两相FMDSPM电机相电流驱动四状态开关通断控制策略，通过对两相FMDSPM电机扭矩产生原理的分析，得出：

1) 四状态相电流开关通断控制策略有效性得到验证，能有效地对两相FMDSPM电机执行驱动控制。

2) 驱动开关导通时间短，能有效地提高其使用寿命，但也带来了另一个问题，驱动开关利用率不高。

3) 两相FMDSPM电机，既可以两相绕组连续单相工作的方式形成两相电机，也可以两相同时工作形成两相电机，取决于应用场合对输出品质的要求。

本文工作为之后开关角度控制、调速理论和驱动电路以及输出扭矩优化等发展提供了有效基础支撑。