一種機械調磁永磁同步電機的聯合仿真研究

劉細平，謝清華，徐 晨，鐘清偉

(江西理工大學，贛州 341000)

一種機械調磁永磁同步電機的聯合仿真研究

劉細平，謝清華，徐 晨，鐘清偉

(江西理工大學，贛州 341000)

介紹了目前電機仿真分析研究的現狀，針對傳統機械調磁電機偏機械或電磁特性的不足之處，提出了通過機電聯合仿真以實現機械與電磁特性合理仿真的新途徑。然后詳細描述實現機電聯合仿真的原理與方法。以機械變磁通軸向磁場永磁同步電機為研究對象，通過在ADAMS/View中建立電機機械調磁裝置模型，與NATLAB/Simulink中所建立的電機本體控制模型進行聯合仿真。仿真結果驗證了聯合仿真的正確性，為以后機電聯合控制的研究開發提供了新的方法。

聯合仿真；機械調磁；永磁同步電機

0 引 言

隨著全球經濟的快速發展，對石化燃料的需求不斷增長，而由于石化燃料的不可持續性，所以全球范圍內的能源緊缺顯得越來越突出。在我國的能源結構中，煤炭占據著絕對的主導地位，但隨著近幾十年來瘋狂的挖采，煤炭資源也面臨著枯竭的危險。煤炭的大量使用所導致的環境問題也日益突出，發展清潔型可持續性能源迫在眉睫。風能作為一種可持續能源，具有清潔無污染、蘊量巨大、可再生及分布廣泛的特點，特別適合作為優化我國能源結構和改善人居環境的替代能源[1]。而風能轉變成電能的關鍵就是電機，電機性能的優劣以及穩定性直接關系著發電效率的高低和電能質量的優劣。

永磁同步電機因其具有結構簡單、損耗小、效率高及高功率密度的特點，被廣泛應用于風力發電場合。然而，現有的永磁同步電機都存在著永磁體存在退磁風險、磁場不可調的缺點，在一定程度上限制了其發展。為解決在新能源發電場合中存在能源隨機性強、用戶對電能質量要求較高的矛盾[2-3]，有規律地調節永磁同步電機工作磁場強弱成為重要手段之一。

作為電機領域的研究熱點之一，有效調節電機磁場強弱的方式正受到越來越多學者的關注。近年來，經過研究學者的不斷努力，提出了多種調磁電機，如混合勵磁電機、記憶永磁電機、機械變磁通電機等[4]。而此類電機均存在著調磁控制困難、功率密度低、運行可靠性低等不足之處。

本文所提出的新型機械變磁通軸向磁場永磁同步電機，由雙轉子單定子軸向磁場永磁同步電機和機械調磁裝置兩部分組成，彌補了傳統電機永磁用量多、運行可靠性低等缺點，在完全無勵磁功率損耗的基礎上實現電機高效率和高功率密度。此類新型機械變磁通永磁同步電機具有結構簡單緊湊、磁力線集中和高轉矩密度，調磁控制簡單且弱磁能力強的優點，在恒功率驅動和恒壓發電等領域具有重要的應用價值。

1 電機基本結構及工作原理

1.1 電機基本結構

機械調磁軸向永磁同步電機(MVFAFPMSM)采用單定子/雙轉子結構，也稱為TOURS結構，能有效抑制軸向電機單邊磁拉力現象，電機整體如圖1所示。環形定子鐵心采用無槽結構，能有效抑制齒槽效應，減小電機振動和噪聲，使電機平穩運行；電樞繞組以環形結構形式纏繞于定子鐵心上，此方式可使繞組端部較短，有利于電機整體的緊湊性，抑制端部效應，提高電機的工作效率；永磁體呈矩形，周向表貼在轉子盤上，相鄰永磁體極性以N-S-N交錯排列，兩轉子對稱分布在定子兩側。機械調磁裝置在一側轉子盤上，主要由機械調磁塊、彈簧、推桿及輪轂組成。此側轉子盤通過軸承與電機轉軸裝配，可繞機軸自由轉動，轉子盤剛性連接有推桿，輪轂同軸固定于電機轉軸上。雙機械調磁塊可抵消運行時對電機的離心力，提高調磁裝置的運行可靠性，確保電機的穩定運行。

圖1 電機結構圖

1.2 電機工作原理

電機機械調磁裝置具體如圖2所示。位于輪轂上的兩個機械調磁塊在離心力與彈簧的拉力的共同作用下向外移動，當調磁塊到達B點位置后，推動推桿，促使與推桿剛性連接的同側轉子盤在圓周方向旋轉一定角度α，從而改變兩轉子在空間上的相對位置。當兩轉子的相對位置改變時，在電樞繞組中的磁通相應變化，實現弱磁的效果。兩轉子之間錯開的角度α是電機本體與調磁裝置間的調節變量，是機械調磁裝置的重要輸出參數。根據電機機械調磁塊的特性，可把電機的運行狀況分為以下兩個階段：基本工作狀態和弱磁狀態。

圖2 機械調磁裝置示意圖

(1) 基本工作狀態：當電機未運行時，推桿位于A點位置；在基速以下時，推桿位置在A點與B點之間；基速時，恰好在B點位置。此狀況下，機械調磁塊雖有運動，但未起到調磁的效果，故而稱為基本工作狀態。此時，電機相當于一臺普通雙轉子單定子軸向電機。

根據電磁感應定律，電樞繞組線圈兩側有效導體切割磁感線，產生大小和方向均相同的感應電動勢E，且在一個電周期內正反交替有規律變化，呈正弦分布[5]。此時每個線圈端部的感應電動勢e可表示：

e=2NE=2NBglvc

(1)

式中：N為線圈匝數，Bg為軸向氣隙磁密，l為有效導體的實際長度，vc為有效導體的平均圓周線速度，可由下式計算得到：

(2)

式中：ω為電機旋轉角速度，Rin為電機定子內半徑。綜合式(1)和式(2)，可得：

(3)

(2)弱磁狀態：此時，推桿位于B點與C點之間，該側轉子盤產生了圓周運動，兩轉子盤間錯開了一定角度α，不同的轉速，調磁塊在不同的位置達到平衡，推桿也位于不同的位置，從而錯開的角度也隨之變化。機械角度的錯開使兩側永磁磁動勢之間存在一定的相位差 ，其與機械角度的關系如下：

αe=p·α

(4)

式中：p為電機極對數。電機兩側永磁體對稱分布，故兩側軸向氣隙磁密Bg大小相等，但在弱磁狀態下氣隙磁密在空間上存在相應的相位差，且與兩側永磁磁動勢間的相位差相同。因此，兩側有效導體兩端將感應出大小相等，相差αe電角度的電動勢E，如圖3所示。此時，每個線圈端部的感應電動勢e′可表示：

(5)

圖3 繞組感應電動勢矢量圖

根據電機學原理[6]，電機在工作狀態下電樞繞組的感應電動勢不可能為0，結合圖3所示，可知線圈兩側感應電動勢間的電角度 只能在區間(0°，180°)內變化，即兩轉子間可錯開的機械角度α的變化區間為(0°，22.5°)。綜上所述，MVFAFPMSM每相電樞繞組的感應電動勢表達式如下所示：

(6)

式中：mc為電機每相繞組的串聯線圈數；ω0為電機的基速(為1 800 r/min，即ω0=60 π)。由式(6)可知，轉子間錯開角度α是電機實現機、電、磁三者耦合的關鍵參數。若電機的機械調磁裝置設計合理，在基速以上保持ωcos(pα/2)的值恒定， MVFAFPMSM即能實現弱磁控制，也可在寬轉速范圍內實現恒壓輸出和恒功率運行。

2 ADAMS/View建模與仿真

2.1 建立模型

虛擬樣機技術通過CAD/CAM/CAE等技術手段把產品資料集成到一個可視化環境中，實現產品的仿真、分析。MD ADAMS軟件由于其自身先進的技術和理念，被廣泛應用于航空航天、汽車工程、鐵路車輛及裝備、工業機械、工程機械等領域[7]。本文所述的機械變磁通軸向磁場電機由于其自身的特點，需建立機械方面的結構模型并進行仿真分析，驗證機械調磁的可行性。

為提高機械建模的精確性，采用Solidworks軟件建立機械調磁模塊的物理三維模型，通過生成x_t接口文件，在ADAMS/View中建立機械模型。根據仿真需要，在生成的機械模型各構件間添加約束關系，定義構件之間的運動方式及連接方式。現機械模型如圖4所示。

圖4 ADAMS機械模型圖

整個模型由一側轉子盤、輪轂、兩個推桿、兩個機械調磁塊及兩個彈簧組成。由于對電機機械調磁結構仿真時不考慮電機本體，故而圖中未計及電機本體模型。

2.2 模型驗證性仿真

在建立模型后，為驗證模型的可行性，給模型設定不同轉速，輸出所需變量的參數。由于輪轂固定在轉軸上，因此輪轂與同側轉子盤錯開角度即為兩轉子間錯開角度。仿真模型中所用彈簧為線性彈簧，此類彈簧彈力系數與阻尼系數恒定，彈簧彈力越大形變量也越大。現兩個重要參數為彈簧形變長度及轉子盤與輪轂錯開角度。電機空載情況下不同轉速時彈簧形變長度的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同轉速時彈簧形變長度

由圖5可知，當對電機突加轉速進行仿真時，調磁塊有一定的慣性，使彈簧形變長度有一定的波動；當電機運行平穩時，彈簧形變長度趨于穩定，波動很小；在不同的轉速情況下，轉速越高，彈簧形變長度越長，兩者呈非線性地增加。

當電機運動時，輪轂以電機同步轉速進行旋轉，此時，輪轂上的兩個機械調磁塊在自身離心力、摩擦力、推桿反作用力及彈簧拉力的作用下離開原位置，在新的位置達到平衡。此狀況下，彈簧拉伸形變，機械調磁塊推動連桿運動，使兩轉子間錯開一定角度。電機空載情況下轉子與輪轂錯開角度的變化曲線如圖6所示。

圖6 錯開角度

由圖6可知，由于調磁塊的形狀特殊，電機在10 800 (°)/s(即基速1 800 r/min)以下時，調磁塊雖然作了徑向運動，但未起到調磁的作用，故而轉子與輪轂未錯開角度；隨著轉速的不斷升高，兩者錯開角度越大，當轉速為18 000 (°)/s(即3 000 r/min)時，錯開角度達到14°，理論上最大可達到22.5°。

仿真結果表明，利用所設計的機械調磁裝置，能實現兩轉子間錯開角度隨轉速的變化而相應變化，可調節的角度范圍較寬。

3 聯合仿真實驗

3.1 Simulink模型建立

文章中永磁電機是以空間電壓矢量控制SVPWM技術為基礎[8]，在MATLAB/Simulink中建立聯合仿真模型，分析其性能。因此電機為調磁電機，而Simulink系統庫中的PMSM模塊存在參數不可動態修改，無法直接進行仿真使用，需對其做改進，預留機械調磁輸入端口[9]。此電機是在調節兩轉子間錯開角度，影響定子磁鏈，進而影響反電勢，故而需對磁鏈端添加輸入端口，使其能隨兩轉子錯開角度的變化而變化。

圖7給出了引入角度輸入端口前后的PMSM封裝對比。從圖中可知，相對于修改前的模型，修改后的模型增加了一個角度輸入端口theta1，其他部分不變。通過角度theta1端口，輸入不同的角度值，可實現反電勢峰值的變化，達到本實驗的目的。

圖7

MATLAB/Simulink中永磁同步電機控制系統采用的是空間電壓矢量控制SVPWM技術，控制系統流程為：利用轉速閉環，使給定轉速與反饋轉速比較，通過PI調節器得到q軸電流，由控制算法得到d軸與q軸的電流給定值。d，q軸電流給定值分別與反饋值進行比較，經過解耦電流控制器，得到d,q軸電壓分量，進行反Park變化后得到其α,β軸分量，經SVPWM調制方式，實現對逆變器控制，從而實現對永磁電機的閉環控制。

3.2 聯合仿真模型建立

在ADAMS中定義電機機械調磁模型相應的輸入、輸出變量，將轉子轉速定義為輸入變量(即從Simulink中輸入電機轉速)，將輪轂與同側轉子盤錯開的角度為輸出變量(即角度值輸入到電機模型中)。在ADAMS中通過選定相應的解算器，加載ADAMS/controls模塊，導出MATLAB可識別的ADAMS模型。在MATLAB中通過命令語句，生成ADAMS模塊，并與電機空間電壓矢量控制系統相連接，進行聯合仿真。聯合仿真模型如圖8示。

圖8 聯合仿真模型

3.3 聯合仿真及結果分析

聯合仿真平臺搭建完后，修改不同的控制參數，進行仿真。現對1 800 r/min及3 000 r/min兩個典型轉速情況分別進行仿真分析。圖9、圖10分別給出了1 800 r/min,3 000 r/min時錯開角度及反電勢波形圖。

圖9 1 800 r/min反電勢波形及錯開角度

圖10 3 000 r/min反電勢波形及錯開角度

從圖9、圖10中可知，在不同的轉速下，ADAMS模塊能很好的對輸入量作出相應響應，并反饋給電機本體模型，從而影響電機反電勢。由于技術的限制，ADAMS模型的輸出量與ADAMS/View中的仿真數據仍有一定的差距，但基本符合試驗要求。

4 結 語

本文從介紹MVFAFPMSM基本結構及工作原理開始，建立了電機機械調磁裝置的動力學模型，闡述了電機本體與機械調磁裝置聯合仿真的實現方法。通過仿真實驗，可得出以下結論：

(1)電機空載運行時，機械調磁塊能良好地工作。在3 000 r/min時，兩轉子間錯開角度能達到14°，角度調節能力較強，能較好的滿足設計需要，在恒壓發電及恒功率寬轉速范圍驅動領域具有廣闊的應用前景。

(2)導入至MATLAB中的機械動力學模型能夠正常的運行，聯合仿真時能較好的符合預期設想，從而驗證聯合仿真的可行性。

(3)聯合仿真的實現，驗證了機械調磁裝置的可行性，縮短了開發周期，為下一步電機樣機的試制提供了依據。

[1] 馬曉敏.中國能源消費結構演進特征[J].中國能源,2008，30(10)：23-27.

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[3] EL-REFAIE A M.Motors/generators for traction/propulsion applications[C]//International Conference on Electric Machines & Drives(IEMDC).IEEE,2011:490-497.

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[5] 劉細平，林鶴云，楊成峰．新型雙定子混合勵磁風力發電機三維有限元分析及實驗研究．中國電機工程學報[J].2008，28(20)：142-146．[6] 湯蘊璆，史乃．電機學[M]．北京：機械工業出版社，2011．

[7] 賈長治，殷軍輝，薛文星,等.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010.

[8] 王艾萌.新能源汽車新型電機的設計及弱磁控制[M].北京：機械工業出版社，2014.

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Co-Simulation of a Novel Mechanical Variable Flux Axial Field Permanent Magnet Synchronous Machine

LIUXi-ping,XIEQing-hua,XUChen,ZHONGQing-wei

(Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

The present situation of the motor simulation study was introduced. For inadequate of traditional mechanically flux-weaking motor only focus on mechanical or electromagnetic properties, a new approach to achieve simulation reasonable between mechanical and electromagnetic properties by co-simulation were proposed.Then the principles and methods to achieve co-simulation of electromechanical were described in detail.In the research object of mechanical variable flux axial field permanent magnet synchronous machine, co-simulaion through the establishment of the mechanical adjustment of magnetic device model in ADAMS/View and establish mechanical control system model. Simulation results verify the correctness of co-simulation, providing a new way for future research and development of mechanical and electrical combined control.

co-simulation; mechanically flux-weaking; permanent magnet synchronous machine

鄧先明(1970-)，男，博士，教授，研究方向為新型電機設計與電力傳動。

2015-11-02

國家自然科學基金項目(51267006)；江西省自然科學基金項目(20153BCB23012,20151BBE50109)；江西省研究生創新專項資金項目(YC2014-S366)

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)12-0011-04