新型電機設計與SVPWM 控制探究

胡雙全

（佳木斯電機股份有限公司屏蔽車間，黑龍江 佳木斯 154002）

1 探究新型電機設計

1.1 新型直流—磁阻單相復合電機

這種電機一般是針對電動自行車設計的。電動自行車目前已經成為很多人出行的首選交通方式。電動車作為一種實惠又環保的交通工具，也獲得了良好的市場反饋。隨著電動車使用數量的不斷增加，商家和消費者對電動自行車輪轂驅動電機的性價比提出了更高的要求。目前市面上最廣泛使用的輪轂驅動電機是永磁式無刷直流電機。這款電機的優勢是驅動效率高、工作時聲音小、調速性能優異。但目前最大的問題是電機中的永磁體在高溫工作或制約振動下可能會消磁，造成電機性能下降。

開關磁阻電機不具有永磁體，并且采用凸級式結構。優勢是結構不復雜、成本低、不易出現故障[1]。目前開關磁阻電機在電動自行車電機中備受關注。但是其劣勢是轉矩紋波大、算法復雜，而且用于交通工具后舒適性不高。如果將以上兩種電機進行組合，則會在降低轉矩脈動的條件下增加輸出轉距。據有限元計算軟件的分析，該結構提高了電機的轉矩密度和運行效率[2]。

電機結構以旋轉方向對稱。在軸向上，外轉子為層狀結構。左右各三層導磁層（磁導率很高）嚴密貼合兩層輻條的直流電樞。導磁層材料是壓實的硅鋼片。輻條直流電樞為帶有18 個輻條的圓盤型金屬銅片。輻條輪盤共包含四個輻條直流電樞。工作時，電流沿著輻條流動，且四個輪盤上電流方向相同。外轉子圓筒是硅鋼制品。外轉子圓筒、直流電樞和導磁層三個部分組成單相復合電機的外轉子部分。

軸向上內定子也為層狀分布。內定子槽底沖片疊放，兩端為疊放的圓盤沖片，形成的槽中繞有軸向勵磁繞組，內定子的凸極數也為18 個，在內定子的各凸極徑向頂端設有安裝徑向勵磁繞組的外槽，槽上繞有徑向勵磁線圈，內定子距離外轉子0.3mm，電機轉子徑向與軸向都有受力，電機軸軸承標準需要符合GB/T297-1994，球軸承內徑需要與電機軸緊配合，外徑需要與左右兩邊外轉子圓盤內徑緊密配合，電機內定子在每個凸極端部用頂部沖片疊壓，填充電樞繞組凹槽，定轉子鐵芯由硅鋼片沖壓制成，軸向纏繞的勵磁線圈會產生軸向磁通，內定子中一般纏繞300 圈勵磁線圈，內定子18 個凸極的端部外緣上預留繞組槽，槽內設置18 個串聯式徑向勵磁（匝數為5 匝），相鄰的凸極互相反方向纏繞，用于形成N-S-N-S 型磁場[3]，磁力線與外轉子圓筒的凸極、軛部、定子凸極環繞而形成多個環形短磁路。

直流-磁阻單相復合電機運行原理如下：48V 直流電源供電后，徑向勵磁繞組、輻條直流電樞、軸向勵磁繞組三者的驅動主回路互不干擾。Us 為電源（直流電），D1、D2、D3 都是二極管（快恢復型），徑向勵磁繞組線圈的控制主開關管使得S1、S2 同時開啟或關斷，此裝置可向徑向勵磁繞組中通入電流用于制造脈沖[4]，徑向勵磁繞組線圈采用不對稱半橋功率變換器結構，通過控制主開關管S3、S5 或 S4、S6，實現在輻條直流電樞中通入方向互逆的電流，控制電機的正轉與反轉，直流供電電源降壓后置于軸向勵磁阻兩側，以此生成恒定軸向磁場，生成定向磁場時需要降壓，此時用到的降壓變換器由主開關管S7、續流二極管D3、儲能電感 L、濾波電容 C 組成。

徑向勵磁繞組電感L（θ）在直流-磁阻電極旋轉時候位置角θ 呈現周期性變化，在電感上升區內對徑向勵磁繞組通電，將產生電動轉矩，電源的電能一部分轉化為機械能，其他則存儲在徑向勵磁繞組。徑向勵磁繞組電感進入電感下降區時，繞組電流將產生反向轉矩，會阻礙一部分電機工作，所以需要在電感下降區關閉控制S1、S2。S1、S2 是徑向勵磁繞組電流的主開關，之后管繞組內的電流由二極管D1 和D2 續流，快速降到0。與此同時，打開主開關管 S3、S6 或 S4、S5，在輻條直流電樞中通過電流。軸向勵磁線圈產生軸向磁場，且方向恒定，輻條上的電流在磁場中受安培力作用生成轉矩，開關磁阻電機的極數需要增加。與此同時轉矩脈動減小，βr 和與其相關參數也同步減小，增大電樞直徑的同時縮小外轉子疊厚可以減少電機質量和外轉子轉動慣量。設直流-磁阻單相復合電機Ns、Nr 均為18，τs（內定子極矩角）、τr（外轉子極距角）均為20°，可得旋轉周期為20°。βs=14°、βr=11°，則最小電感區αr-βs 為 0，最大電感重疊角的θ2～θ3 區域為βs-βr=14-11=3°。內定字與外轉子凸極的重疊角大于等于5°。整個定子與轉子的凸極重疊度是90°時通入電流就可以使得轉子像預設方向旋轉。若預設正方向是順時針，旋轉1°后各個定子凸極與轉子凸極在逆向重疊3.5°，正向重疊1.5°，此時如果切斷轉子電樞繞組電流，即可利用磁阻轉矩繼續向逆方向旋轉。若預設正方向是逆時針，當按磁阻電機原理旋轉約7°后，再給輻條直流電樞繞組通入電流即可使其繼續向正向（逆時針向）旋轉。經過13°后切斷輻條樞繞組電流，按磁阻電機原理旋轉。以上過程形成了一組循環。

依據上文原理對電機進行模擬。電機的仿真步長設為1ms，每一步旋轉角度為1°。電機旋轉周期是20°，所以在周期內有20 個1°。如果選取它進行仿真，即可得到周期內電機的轉矩變化曲線，同時用2D 動態仿真法仿照磁阻電機原理仿真，設置仿真時間為20ms，仿真步長為1ms。

計算結果顯示，平均轉矩6.97N·m，最大轉矩為8.49N·m，轉矩脈動系數為0.21。將直流電機原理和變阻器原理結合起來，可以使得轉矩輸出倍增，也能可以運用各階段的轉矩，減少轉矩的脈動。如果運行方向不變，則轉子電樞繞組運行時候始終只有一個方向的電流，電刷并沒有換向火花之類的弊端，所以可以使得電刷十分耐用[5]。該系統極大地提高了電機的功率密度和電動自行車動力驅動系統的性價比。

1.2 新型無刷直流電機

衛星姿態控制直接影響通信技術的精度和準確性。衛星動量輪具有負載小、控制精度高、環境好、使用年限長等優點。通過動量輪改變轉速的大小產生不同力矩，人們可以使衛星姿態得到精準控制。飛輪決定了電機的性能，電機的性能又決定了轉子性能[6-7]。

針對兩種電機在結構的不同，可以使用動態模型仿真法可以對其進行分析，這種新型電機基于氣隙磁路，設計了一些高精度控制方法，進行了仿真實驗。

飛輪系統組成有：（1）飛輪轉子主體；（2）保護軸承系統；（3）雙圈無刷直流電機；（4）密封罩組件；（5）控制系統組件。飛輪控制衛星姿態的原理是改變飛輪轉速和旋轉矢量方向，產生相應的控制力矩，輸出扭矩與轉子轉速有關。由于永磁體固有特性的影響，永磁電機產生的永磁場不易調節，這對電機控制提出了更高的要求。為了提升電機的電磁性能，提升運行特性和機械特性，降低制造成本。

電機結構由內到外為內圈、內圈永磁體、杯形定子、外圈永磁體和外圈。與傳統電機結構相比，雙圓形磁鋼結構電機形成了在相同轉矩下，增加了徑向氣隙磁感應強度（產生偏轉轉矩的磁感應強度，即有效氣隙磁感應強度），增加了總氣隙磁感應強度，提高了電機的設計轉矩，大大降低了功耗，使電機兩極間的磁通密度更均勻，減小了轉矩脈動，大大降低功耗。以雙磁極間的氣隙為分析對象，對單環永磁體的厚度、永磁體的高度、導磁材料的厚度等客觀條件進行了有限元分析模擬，并計算了各模擬路徑的氣隙磁感應強度[8]。

仿真結果表明，在相同的路徑、相同的外部條件和其它參數下，雙圈構型電機方案的氣隙磁密比傳統方案高。當量氣隙磁感應強度的最大值增加3%，氣隙平頂寬度由90°左右增加到120°左右，使氣隙磁通密度波形更接近理想梯形波形，保證了輸出轉矩的穩定性，減小了電機的轉矩脈動，進一步提高了性能。

霍爾效應傳感器確定位置，進而位置信號轉為驅動控制電路的電信號，可以控制電機電流的換向系統和電壓，定子三相繞組依次充電，從而控制電機的旋轉，分別測試動量輪速度增加、速度減小和均速平穩運行三種狀態[9]。

新型電機結構的氣隙磁密度顯著提高，反電動勢波形變化劇烈，更接近理想的梯形波，氣隙平頂寬度更接近120°。因此，新的電機結構更易于高精度控制電機，新結構的氣隙磁密度也有很大提高。因此，新的結構對電機控制更加精確。電機轉速穩定、轉矩脈動小對于上氣隙磁密度的仿真結果，在參數不變的情況下，氣隙磁密度的平頂寬度及相應的氣隙磁密度和仿真值，傳統電機結構和新結構的仿真結果，結構的仿真和分析如下[10]：

在沒有任何控制器的情況下，結果表明兩臺電機達到穩定轉速所需時間基本相同。最大超調速度為5212rad/s，超調量為4.24%。最大超調速度為5832rad/s，超調速度為20.7%。t=0.2s 時，新型電機結構的轉速響應時間較快，轉速變化率為1%。傳統電機結構的轉速響應波動較大，相應的轉速變化率為193%。仿真結果表明，新的電機結構可以改善電機的機械特性和整體性能。

1.3 其他新型電機

超聲波電機：利用超聲波頻率范圍內的機械振動獲得動力源并利用摩擦力傳輸彈性超聲波獲得動力的裝置。壓電電動機的超聲振動源與壓電陶瓷密切相關，當交流電壓被應用到壓電陶瓷上時，壓電陶瓷本身或者壓電陶瓷和金屬的混合物會周期性地膨脹和收縮，這就是壓電效應，通過這種膨脹和收縮，馬達產生動力。

直線電機：是一種將電能直接轉換成直線運動機械能的電機，不需要任何中間轉換機構的傳動裝置，它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成。特點是結構簡單，系統本身的結構大大簡化，重量和體積大大減少，定位精度高，需要直線運動時候直線電機可實現直接傳動。

開關磁阻電動機：調速系統中使用的開關磁阻馬達是SRD 機電能量轉換的組成部分，也是 SRD 區別于其他電機驅動系統的主要標志。固體火箭發動機定子和轉子的凸極由普通硅鋼片制成。轉子既沒有繞組，也沒有永久磁鐵。定子極繞有集中繞組，兩個徑向相反的繞組相連，稱為“一相”，定子和轉子的極數有許多不同的配置。相位多，步進角小，可以減小轉矩脈動，但結構復雜，臟開關裝置多，成本高[11-12]。

2 SVPWM 控制

SVPWM 是Space Vector Pulse Width Modulation 的簡寫，是近年來發展起來的一種新型控制方法。三相逆變器由六個功率開關元件組成的特殊開關模式產生了脈寬調制（PWM）波，其能使輸出電流波形盡可能接近理想的正弦波。與傳統的正弦脈寬調制不同，空間矢量脈寬調制（SVPWM）追求整體效果，其目標是使電機運行在一個理想的圓形軌跡上，繞組電流波形的諧波比例較低，這使電機的轉矩脈動減小，并導致旋轉磁場現象。

常見的三相全橋是由六個開關器件組成的三個半橋。由于各橋臂的上下部信號相反，六個部件可以有8種安全開關組合。上橋臂為“1”表示連接，下橋臂為“0”表示連接，即Sk=1，上橋臂連接，下橋臂閉合。Sk=0 表示k 值對應的上斷，下通。000 和111 狀態不能使電機正常工作，因為不會產生有效的電路?；? 種開關組合就可以構成6 個有效的向量，他們平分整個一周（360°）的電壓，每個有60°的扇區，六個扇區配合上兩個零向量就可以合成平面中任意一個向量，當要合成某一矢量時先找到兩個基本向量，一般是找到距離被表示向量最近的即可，每個基本矢量起到的作用以時間長度表示，用電壓矢量按照不同的時間比例去合成所需要的電壓矢量。

變頻電機工作時，矢量方向也是一直改變的，因此矢量作用時間也需要不斷的修正，一般采用定時計算法（如每0.1ms 計算一次）以便于處理，此時只需算出在0.1ms 內兩個基本矢量作用的時間就可以了?？臻g電壓矢量脈寬調制（SVPWM）的主要特點是：（1）每個開關只涉及一個器件，即使每個單元之間有多個開關，但總損耗仍然很小；（2）由于電壓空間矢量直接產生三相PWM 波，因此計算簡單；（3）輸出線的最大基波電壓為直流側電壓，比常規正弦波逆變器高15%。