劉細(xì)平，謝清華，徐 晨，鐘清偉

(江西理工大學(xué)，贛州 341000)

一種機械調(diào)磁永磁同步電機的聯(lián)合仿真研究

劉細(xì)平，謝清華，徐 晨，鐘清偉

(江西理工大學(xué)，贛州 341000)

介紹了目前電機仿真分析研究的現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)機械調(diào)磁電機偏機械或電磁特性的不足之處，提出了通過機電聯(lián)合仿真以實現(xiàn)機械與電磁特性合理仿真的新途徑。然后詳細(xì)描述實現(xiàn)機電聯(lián)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(diào)磁裝置模型，與NATLAB/Simulink中所建立的電機本體控制模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果驗證了聯(lián)合仿真的正確性，為以后機電聯(lián)合控制的研究開發(fā)提供了新的方法。

聯(lián)合仿真；機械調(diào)磁；永磁同步電機

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)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(xù)性，所以全球范圍內(nèi)的能源緊缺顯得越來越突出。在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占據(jù)著絕對的主導(dǎo)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(dǎo)致的環(huán)境問題也日益突出，發(fā)展清潔型可持續(xù)性能源迫在眉睫。風(fēng)能作為一種可持續(xù)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(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)和改善人居環(huán)境的替代能源[1]。而風(fēng)能轉(zhuǎn)變成電能的關(guān)鍵就是電機，電機性能的優(yōu)劣以及穩(wěn)定性直接關(guān)系著發(fā)電效率的高低和電能質(zhì)量的優(yōu)劣。

永磁同步電機因其具有結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、效率高及高功率密度的特點，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電場合。然而，現(xiàn)有的永磁同步電機都存在著永磁體存在退磁風(fēng)險、磁場不可調(diào)的缺點，在一定程度上限制了其發(fā)展。為解決在新能源發(fā)電場合中存在能源隨機性強、用戶對電能質(zhì)量要求較高的矛盾[2-3]，有規(guī)律地調(diào)節(jié)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(lǐng)域的研究熱點之一，有效調(diào)節(jié)電機磁場強弱的方式正受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。近年來，經(jīng)過研究學(xué)者的不斷努力，提出了多種調(diào)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(diào)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(zhuǎn)子單定子軸向磁場永磁同步電機和機械調(diào)磁裝置兩部分組成，彌補了傳統(tǒng)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(chǔ)上實現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單緊湊、磁力線集中和高轉(zhuǎn)矩密度，調(diào)磁控制簡單且弱磁能力強的優(yōu)點，在恒功率驅(qū)動和恒壓發(fā)電等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

1 電機基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電機基本結(jié)構(gòu)

機械調(diào)磁軸向永磁同步電機(MVFAFPMSM)采用單定子/雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也稱為TOURS結(jié)構(gòu)，能有效抑制軸向電機單邊磁拉力現(xiàn)象，電機整體如圖1所示。環(huán)形定子鐵心采用無槽結(jié)構(gòu)，能有效抑制齒槽效應(yīng)，減小電機振動和噪聲，使電機平穩(wěn)運行；電樞繞組以環(huán)形結(jié)構(gòu)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(yīng)，提高電機的工作效率；永磁體呈矩形，周向表貼在轉(zhuǎn)子盤上，相鄰永磁體極性以N-S-N交錯排列，兩轉(zhuǎn)子對稱分布在定子兩側(cè)。機械調(diào)磁裝置在一側(cè)轉(zhuǎn)子盤上，主要由機械調(diào)磁塊、彈簧、推桿及輪轂組成。此側(cè)轉(zhuǎn)子盤通過軸承與電機轉(zhuǎn)軸裝配，可繞機軸自由轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子盤剛性連接有推桿，輪轂同軸固定于電機轉(zhuǎn)軸上。雙機械調(diào)磁塊可抵消運行時對電機的離心力，提高調(diào)磁裝置的運行可靠性，確保電機的穩(wěn)定運行。

圖1 電機結(jié)構(gòu)圖

1.2 電機工作原理

電機機械調(diào)磁裝置具體如圖2所示。位于輪轂上的兩個機械調(diào)磁塊在離心力與彈簧的拉力的共同作用下向外移動，當(dāng)調(diào)磁塊到達(dá)B點位置后，推動推桿，促使與推桿剛性連接的同側(cè)轉(zhuǎn)子盤在圓周方向旋轉(zhuǎn)一定角度α，從而改變兩轉(zhuǎn)子在空間上的相對位置。當(dāng)兩轉(zhuǎn)子的相對位置改變時，在電樞繞組中的磁通相應(yīng)變化，實現(xiàn)弱磁的效果。兩轉(zhuǎn)子之間錯開的角度α是電機本體與調(diào)磁裝置間的調(diào)節(jié)變量，是機械調(diào)磁裝置的重要輸出參數(shù)。根據(jù)電機機械調(diào)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(tài)和弱磁狀態(tài)。

圖2 機械調(diào)磁裝置示意圖

(1) 基本工作狀態(tài)：當(dāng)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(diào)磁塊雖有運動，但未起到調(diào)磁的效果，故而稱為基本工作狀態(tài)。此時，電機相當(dāng)于一臺普通雙轉(zhuǎn)子單定子軸向電機。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電樞繞組線圈兩側(cè)有效導(dǎo)體切割磁感線，產(chǎn)生大小和方向均相同的感應(yīng)電動勢E，且在一個電周期內(nèi)正反交替有規(guī)律變化，呈正弦分布[5]。此時每個線圈端部的感應(yīng)電動勢e可表示：

e=2NE=2NBglvc

(1)

式中：N為線圈匝數(shù)，Bg為軸向氣隙磁密，l為有效導(dǎo)體的實際長度，vc為有效導(dǎo)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(zhuǎn)角速度，Rin為電機定子內(nèi)半徑。綜合式(1)和式(2)，可得：

(3)

(2)弱磁狀態(tài)：此時，推桿位于B點與C點之間，該側(cè)轉(zhuǎn)子盤產(chǎn)生了圓周運動，兩轉(zhuǎn)子盤間錯開了一定角度α，不同的轉(zhuǎn)速，調(diào)磁塊在不同的位置達(dá)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(cè)永磁磁動勢之間存在一定的相位差 ，其與機械角度的關(guān)系如下：

αe=p·α

(4)

式中：p為電機極對數(shù)。電機兩側(cè)永磁體對稱分布，故兩側(cè)軸向氣隙磁密Bg大小相等，但在弱磁狀態(tài)下氣隙磁密在空間上存在相應(yīng)的相位差，且與兩側(cè)永磁磁動勢間的相位差相同。因此，兩側(cè)有效導(dǎo)體兩端將感應(yīng)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(yīng)電動勢e′可表示：

(5)

圖3 繞組感應(yīng)電動勢矢量圖

根據(jù)電機學(xué)原理[6]，電機在工作狀態(tài)下電樞繞組的感應(yīng)電動勢不可能為0，結(jié)合圖3所示，可知線圈兩側(cè)感應(yīng)電動勢間的電角度 只能在區(qū)間(0°，180°)內(nèi)變化，即兩轉(zhuǎn)子間可錯開的機械角度α的變化區(qū)間為(0°，22.5°)。綜上所述，MVFAFPMSM每相電樞繞組的感應(yīng)電動勢表達(dá)式如下所示：

(6)

式中：mc為電機每相繞組的串聯(lián)線圈數(shù)；ω0為電機的基速(為1 800 r/min，即ω0=60 π)。由式(6)可知，轉(zhuǎn)子間錯開角度α是電機實現(xiàn)機、電、磁三者耦合的關(guān)鍵參數(shù)。若電機的機械調(diào)磁裝置設(shè)計合理，在基速以上保持ωcos(pα/2)的值恒定， MVFAFPMSM即能實現(xiàn)弱磁控制，也可在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)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(shù)通過CAD/CAM/CAE等技術(shù)手段把產(chǎn)品資料集成到一個可視化環(huán)境中，實現(xiàn)產(chǎn)品的仿真、分析。MD ADAMS軟件由于其自身先進(jìn)的技術(shù)和理念，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工程、鐵路車輛及裝備、工業(yè)機械、工程機械等領(lǐng)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(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行仿真分析，驗證機械調(diào)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(diào)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(jù)仿真需要，在生成的機械模型各構(gòu)件間添加約束關(guān)系，定義構(gòu)件之間的運動方式及連接方式?，F(xiàn)機械模型如圖4所示。

圖4 ADAMS機械模型圖

整個模型由一側(cè)轉(zhuǎn)子盤、輪轂、兩個推桿、兩個機械調(diào)磁塊及兩個彈簧組成。由于對電機機械調(diào)磁結(jié)構(gòu)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(shè)定不同轉(zhuǎn)速，輸出所需變量的參數(shù)。由于輪轂固定在轉(zhuǎn)軸上，因此輪轂與同側(cè)轉(zhuǎn)子盤錯開角度即為兩轉(zhuǎn)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(shù)與阻尼系數(shù)恒定，彈簧彈力越大形變量也越大。現(xiàn)兩個重要參數(shù)為彈簧形變長度及轉(zhuǎn)子盤與輪轂錯開角度。電機空載情況下不同轉(zhuǎn)速時彈簧形變長度的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速時彈簧形變長度

由圖5可知，當(dāng)對電機突加轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真時，調(diào)磁塊有一定的慣性，使彈簧形變長度有一定的波動；當(dāng)電機運行平穩(wěn)時，彈簧形變長度趨于穩(wěn)定，波動很?。辉诓煌霓D(zhuǎn)速情況下，轉(zhuǎn)速越高，彈簧形變長度越長，兩者呈非線性地增加。

當(dāng)電機運動時，輪轂以電機同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時，輪轂上的兩個機械調(diào)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(dá)到平衡。此狀況下，彈簧拉伸形變，機械調(diào)磁塊推動連桿運動，使兩轉(zhuǎn)子間錯開一定角度。電機空載情況下轉(zhuǎn)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(diào)磁塊的形狀特殊，電機在10 800 (°)/s(即基速1 800 r/min)以下時，調(diào)磁塊雖然作了徑向運動，但未起到調(diào)磁的作用，故而轉(zhuǎn)子與輪轂未錯開角度；隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，兩者錯開角度越大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為18 000 (°)/s(即3 000 r/min)時，錯開角度達(dá)到14°，理論上最大可達(dá)到22.5°。

仿真結(jié)果表明，利用所設(shè)計的機械調(diào)磁裝置，能實現(xiàn)兩轉(zhuǎn)子間錯開角度隨轉(zhuǎn)速的變化而相應(yīng)變化，可調(diào)節(jié)的角度范圍較寬。

3 聯(lián)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(shù)為基礎(chǔ)[8]，在MATLAB/Simulink中建立聯(lián)合仿真模型，分析其性能。因此電機為調(diào)磁電機，而Simulink系統(tǒng)庫中的PMSM模塊存在參數(shù)不可動態(tài)修改，無法直接進(jìn)行仿真使用，需對其做改進(jìn)，預(yù)留機械調(diào)磁輸入端口[9]。此電機是在調(diào)節(jié)兩轉(zhuǎn)子間錯開角度，影響定子磁鏈，進(jìn)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(zhuǎn)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(xiàn)反電勢峰值的變化，達(dá)到本實驗的目的。

圖7

MATLAB/Simulink中永磁同步電機控制系統(tǒng)采用的是空間電壓矢量控制SVPWM技術(shù)，控制系統(tǒng)流程為：利用轉(zhuǎn)速閉環(huán)，使給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速比較，通過PI調(diào)節(jié)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(jìn)行比較，經(jīng)過解耦電流控制器，得到d,q軸電壓分量，進(jìn)行反Park變化后得到其α,β軸分量，經(jīng)SVPWM調(diào)制方式，實現(xiàn)對逆變器控制，從而實現(xiàn)對永磁電機的閉環(huán)控制。

3.2 聯(lián)合仿真模型建立

在ADAMS中定義電機機械調(diào)磁模型相應(yīng)的輸入、輸出變量，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速定義為輸入變量(即從Simulink中輸入電機轉(zhuǎn)速)，將輪轂與同側(cè)轉(zhuǎn)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(yīng)的解算器，加載ADAMS/controls模塊，導(dǎo)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(tǒng)相連接，進(jìn)行聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真模型如圖8示。

圖8 聯(lián)合仿真模型

3.3 聯(lián)合仿真及結(jié)果分析

聯(lián)合仿真平臺搭建完后，修改不同的控制參數(shù)，進(jìn)行仿真?，F(xiàn)對1 800 r/min及3 000 r/min兩個典型轉(zhuǎn)速情況分別進(jìn)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(zhuǎn)速下，ADAMS模塊能很好的對輸入量作出相應(yīng)響應(yīng)，并反饋給電機本體模型，從而影響電機反電勢。由于技術(shù)的限制，ADAMS模型的輸出量與ADAMS/View中的仿真數(shù)據(jù)仍有一定的差距，但基本符合試驗要求。

4 結(jié) 語

本文從介紹MVFAFPMSM基本結(jié)構(gòu)及工作原理開始，建立了電機機械調(diào)磁裝置的動力學(xué)模型，闡述了電機本體與機械調(diào)磁裝置聯(lián)合仿真的實現(xiàn)方法。通過仿真實驗，可得出以下結(jié)論：

(1)電機空載運行時，機械調(diào)磁塊能良好地工作。在3 000 r/min時，兩轉(zhuǎn)子間錯開角度能達(dá)到14°，角度調(diào)節(jié)能力較強，能較好的滿足設(shè)計需要，在恒壓發(fā)電及恒功率寬轉(zhuǎn)速范圍驅(qū)動領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

(2)導(dǎo)入至MATLAB中的機械動力學(xué)模型能夠正常的運行，聯(lián)合仿真時能較好的符合預(yù)期設(shè)想，從而驗證聯(lián)合仿真的可行性。

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

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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.

[4] ZHU Z Q．永磁電機研究的新進(jìn)展[J]．電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(3)：1-11．

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

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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(shè)計與電力傳動。

2015-11-02

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

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)12-0011-04