胡雙全

（佳木斯電機(jī)股份有限公司屏蔽車(chē)間，黑龍江 佳木斯 154002）

1 探究新型電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 新型直流—磁阻單相復(fù)合電機(jī)

這種電機(jī)一般是針對(duì)電動(dòng)自行車(chē)設(shè)計(jì)的。電動(dòng)自行車(chē)目前已經(jīng)成為很多人出行的首選交通方式。電動(dòng)車(chē)作為一種實(shí)惠又環(huán)保的交通工具，也獲得了良好的市場(chǎng)反饋。隨著電動(dòng)車(chē)使用數(shù)量的不斷增加，商家和消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)自行車(chē)輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性?xún)r(jià)比提出了更高的要求。目前市面上最廣泛使用的輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)是永磁式無(wú)刷直流電機(jī)。這款電機(jī)的優(yōu)勢(shì)是驅(qū)動(dòng)效率高、工作時(shí)聲音小、調(diào)速性能優(yōu)異。但目前最大的問(wèn)題是電機(jī)中的永磁體在高溫工作或制約振動(dòng)下可能會(huì)消磁，造成電機(jī)性能下降。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)不具有永磁體，并且采用凸級(jí)式結(jié)構(gòu)。優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、成本低、不易出現(xiàn)故障[1]。目前開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在電動(dòng)自行車(chē)電機(jī)中備受關(guān)注。但是其劣勢(shì)是轉(zhuǎn)矩紋波大、算法復(fù)雜，而且用于交通工具后舒適性不高。如果將以上兩種電機(jī)進(jìn)行組合，則會(huì)在降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的條件下增加輸出轉(zhuǎn)距。據(jù)有限元計(jì)算軟件的分析，該結(jié)構(gòu)提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和運(yùn)行效率[2]。

電機(jī)結(jié)構(gòu)以旋轉(zhuǎn)方向?qū)ΨQ(chēng)。在軸向上，外轉(zhuǎn)子為層狀結(jié)構(gòu)。左右各三層導(dǎo)磁層（磁導(dǎo)率很高）嚴(yán)密貼合兩層輻條的直流電樞。導(dǎo)磁層材料是壓實(shí)的硅鋼片。輻條直流電樞為帶有18 個(gè)輻條的圓盤(pán)型金屬銅片。輻條輪盤(pán)共包含四個(gè)輻條直流電樞。工作時(shí)，電流沿著輻條流動(dòng)，且四個(gè)輪盤(pán)上電流方向相同。外轉(zhuǎn)子圓筒是硅鋼制品。外轉(zhuǎn)子圓筒、直流電樞和導(dǎo)磁層三個(gè)部分組成單相復(fù)合電機(jī)的外轉(zhuǎn)子部分。

軸向上內(nèi)定子也為層狀分布。內(nèi)定子槽底沖片疊放，兩端為疊放的圓盤(pán)沖片，形成的槽中繞有軸向勵(lì)磁繞組，內(nèi)定子的凸極數(shù)也為18 個(gè)，在內(nèi)定子的各凸極徑向頂端設(shè)有安裝徑向勵(lì)磁繞組的外槽，槽上繞有徑向勵(lì)磁線圈，內(nèi)定子距離外轉(zhuǎn)子0.3mm，電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向與軸向都有受力，電機(jī)軸軸承標(biāo)準(zhǔn)需要符合GB/T297-1994，球軸承內(nèi)徑需要與電機(jī)軸緊配合，外徑需要與左右兩邊外轉(zhuǎn)子圓盤(pán)內(nèi)徑緊密配合，電機(jī)內(nèi)定子在每個(gè)凸極端部用頂部沖片疊壓，填充電樞繞組凹槽，定轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片沖壓制成，軸向纏繞的勵(lì)磁線圈會(huì)產(chǎn)生軸向磁通，內(nèi)定子中一般纏繞300 圈勵(lì)磁線圈，內(nèi)定子18 個(gè)凸極的端部外緣上預(yù)留繞組槽，槽內(nèi)設(shè)置18 個(gè)串聯(lián)式徑向勵(lì)磁（匝數(shù)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(chǎng)[3]，磁力線與外轉(zhuǎn)子圓筒的凸極、軛部、定子凸極環(huán)繞而形成多個(gè)環(huán)形短磁路。

直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)運(yùn)行原理如下：48V 直流電源供電后，徑向勵(lì)磁繞組、輻條直流電樞、軸向勵(lì)磁繞組三者的驅(qū)動(dòng)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(fù)型），徑向勵(lì)磁繞組線圈的控制主開(kāi)關(guān)管使得S1、S2 同時(shí)開(kāi)啟或關(guān)斷，此裝置可向徑向勵(lì)磁繞組中通入電流用于制造脈沖[4]，徑向勵(lì)磁繞組線圈采用不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制主開(kāi)關(guān)管S3、S5 或 S4、S6，實(shí)現(xiàn)在輻條直流電樞中通入方向互逆的電流，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，直流供電電源降壓后置于軸向勵(lì)磁阻兩側(cè)，以此生成恒定軸向磁場(chǎng)，生成定向磁場(chǎng)時(shí)需要降壓，此時(shí)用到的降壓變換器由主開(kāi)關(guān)管S7、續(xù)流二極管D3、儲(chǔ)能電感 L、濾波電容 C 組成。

徑向勵(lì)磁繞組電感L（θ）在直流-磁阻電極旋轉(zhuǎn)時(shí)候位置角θ 呈現(xiàn)周期性變化，在電感上升區(qū)內(nèi)對(duì)徑向勵(lì)磁繞組通電，將產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電源的電能一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其他則存儲(chǔ)在徑向勵(lì)磁繞組。徑向勵(lì)磁繞組電感進(jìn)入電感下降區(qū)時(shí)，繞組電流將產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，會(huì)阻礙一部分電機(jī)工作，所以需要在電感下降區(qū)關(guān)閉控制S1、S2。S1、S2 是徑向勵(lì)磁繞組電流的主開(kāi)關(guān)，之后管繞組內(nèi)的電流由二極管D1 和D2 續(xù)流，快速降到0。與此同時(shí)，打開(kāi)主開(kāi)關(guān)管 S3、S6 或 S4、S5，在輻條直流電樞中通過(guò)電流。軸向勵(lì)磁線圈產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，且方向恒定，輻條上的電流在磁場(chǎng)中受安培力作用生成轉(zhuǎn)矩，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的極數(shù)需要增加。與此同時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，βr 和與其相關(guān)參數(shù)也同步減小，增大電樞直徑的同時(shí)縮小外轉(zhuǎn)子疊厚可以減少電機(jī)質(zhì)量和外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。設(shè)直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)Ns、Nr 均為18，τs（內(nèi)定子極矩角）、τr（外轉(zhuǎn)子極距角）均為20°，可得旋轉(zhuǎn)周期為20°。βs=14°、βr=11°，則最小電感區(qū)αr-βs 為 0，最大電感重疊角的θ2～θ3 區(qū)域?yàn)棣聅-βr=14-11=3°。內(nèi)定字與外轉(zhuǎn)子凸極的重疊角大于等于5°。整個(gè)定子與轉(zhuǎn)子的凸極重疊度是90°時(shí)通入電流就可以使得轉(zhuǎn)子像預(yù)設(shè)方向旋轉(zhuǎn)。若預(yù)設(shè)正方向是順時(shí)針，旋轉(zhuǎn)1°后各個(gè)定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極在逆向重疊3.5°，正向重疊1.5°，此時(shí)如果切斷轉(zhuǎn)子電樞繞組電流，即可利用磁阻轉(zhuǎn)矩繼續(xù)向逆方向旋轉(zhuǎn)。若預(yù)設(shè)正方向是逆時(shí)針，當(dāng)按磁阻電機(jī)原理旋轉(zhuǎn)約7°后，再給輻條直流電樞繞組通入電流即可使其繼續(xù)向正向（逆時(shí)針向）旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)13°后切斷輻條樞繞組電流，按磁阻電機(jī)原理旋轉(zhuǎn)。以上過(guò)程形成了一組循環(huán)。

依據(jù)上文原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行模擬。電機(jī)的仿真步長(zhǎng)設(shè)為1ms，每一步旋轉(zhuǎn)角度為1°。電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期是20°，所以在周期內(nèi)有20 個(gè)1°。如果選取它進(jìn)行仿真，即可得到周期內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化曲線，同時(shí)用2D 動(dòng)態(tài)仿真法仿照磁阻電機(jī)原理仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為20ms，仿真步長(zhǎng)為1ms。

計(jì)算結(jié)果顯示，平均轉(zhuǎn)矩6.97N·m，最大轉(zhuǎn)矩為8.49N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為0.21。將直流電機(jī)原理和變阻器原理結(jié)合起來(lái)，可以使得轉(zhuǎn)矩輸出倍增，也能可以運(yùn)用各階段的轉(zhuǎn)矩，減少轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。如果運(yùn)行方向不變，則轉(zhuǎn)子電樞繞組運(yùn)行時(shí)候始終只有一個(gè)方向的電流，電刷并沒(méi)有換向火花之類(lèi)的弊端，所以可以使得電刷十分耐用[5]。該系統(tǒng)極大地提高了電機(jī)的功率密度和電動(dòng)自行車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比。

1.2 新型無(wú)刷直流電機(jī)

衛(wèi)星姿態(tài)控制直接影響通信技術(shù)的精度和準(zhǔn)確性。衛(wèi)星動(dòng)量輪具有負(fù)載小、控制精度高、環(huán)境好、使用年限長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)動(dòng)量輪改變轉(zhuǎn)速的大小產(chǎn)生不同力矩，人們可以使衛(wèi)星姿態(tài)得到精準(zhǔn)控制。飛輪決定了電機(jī)的性能，電機(jī)的性能又決定了轉(zhuǎn)子性能[6-7]。

針對(duì)兩種電機(jī)在結(jié)構(gòu)的不同，可以使用動(dòng)態(tài)模型仿真法可以對(duì)其進(jìn)行分析，這種新型電機(jī)基于氣隙磁路，設(shè)計(jì)了一些高精度控制方法，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

飛輪系統(tǒng)組成有：（1）飛輪轉(zhuǎn)子主體；（2）保護(hù)軸承系統(tǒng)；（3）雙圈無(wú)刷直流電機(jī)；（4）密封罩組件；（5）控制系統(tǒng)組件。飛輪控制衛(wèi)星姿態(tài)的原理是改變飛輪轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)矢量方向，產(chǎn)生相應(yīng)的控制力矩，輸出扭矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。由于永磁體固有特性的影響，永磁電機(jī)產(chǎn)生的永磁場(chǎng)不易調(diào)節(jié)，這對(duì)電機(jī)控制提出了更高的要求。為了提升電機(jī)的電磁性能，提升運(yùn)行特性和機(jī)械特性，降低制造成本。

電機(jī)結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外為內(nèi)圈、內(nèi)圈永磁體、杯形定子、外圈永磁體和外圈。與傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)相比，雙圓形磁鋼結(jié)構(gòu)電機(jī)形成了在相同轉(zhuǎn)矩下，增加了徑向氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度（產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即有效氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度），增加了總氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高了電機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩，大大降低了功耗，使電機(jī)兩極間的磁通密度更均勻，減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，大大降低功耗。以雙磁極間的氣隙為分析對(duì)象，對(duì)單環(huán)永磁體的厚度、永磁體的高度、導(dǎo)磁材料的厚度等客觀條件進(jìn)行了有限元分析模擬，并計(jì)算了各模擬路徑的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度[8]。

仿真結(jié)果表明，在相同的路徑、相同的外部條件和其它參數(shù)下，雙圈構(gòu)型電機(jī)方案的氣隙磁密比傳統(tǒng)方案高。當(dāng)量氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)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(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性，減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，進(jìn)一步提高了性能。

霍爾效應(yīng)傳感器確定位置，進(jìn)而位置信號(hào)轉(zhuǎn)為驅(qū)動(dòng)控制電路的電信號(hào)，可以控制電機(jī)電流的換向系統(tǒng)和電壓，定子三相繞組依次充電，從而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，分別測(cè)試動(dòng)量輪速度增加、速度減小和均速平穩(wěn)運(yùn)行三種狀態(tài)[9]。

新型電機(jī)結(jié)構(gòu)的氣隙磁密度顯著提高，反電動(dòng)勢(shì)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(jī)結(jié)構(gòu)更易于高精度控制電機(jī)，新結(jié)構(gòu)的氣隙磁密度也有很大提高。因此，新的結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)控制更加精確。電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小對(duì)于上氣隙磁密度的仿真結(jié)果，在參數(shù)不變的情況下，氣隙磁密度的平頂寬度及相應(yīng)的氣隙磁密度和仿真值，傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，結(jié)構(gòu)的仿真和分析如下[10]：

在沒(méi)有任何控制器的情況下，結(jié)果表明兩臺(tái)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所需時(shí)間基本相同。最大超調(diào)速度為5212rad/s，超調(diào)量為4.24%。最大超調(diào)速度為5832rad/s，超調(diào)速度為20.7%。t=0.2s 時(shí)，新型電機(jī)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間較快，轉(zhuǎn)速變化率為1%。傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)波動(dòng)較大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化率為193%。仿真結(jié)果表明，新的電機(jī)結(jié)構(gòu)可以改善電機(jī)的機(jī)械特性和整體性能。

1.3 其他新型電機(jī)

超聲波電機(jī)：利用超聲波頻率范圍內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)獲得動(dòng)力源并利用摩擦力傳輸彈性超聲波獲得動(dòng)力的裝置。壓電電動(dòng)機(jī)的超聲振動(dòng)源與壓電陶瓷密切相關(guān)，當(dāng)交流電壓被應(yīng)用到壓電陶瓷上時(shí)，壓電陶瓷本身或者壓電陶瓷和金屬的混合物會(huì)周期性地膨脹和收縮，這就是壓電效應(yīng)，通過(guò)這種膨脹和收縮，馬達(dá)產(chǎn)生動(dòng)力。

直線電機(jī)：是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的電機(jī)，不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，它可以看成是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開(kāi)，并展成平面而成。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，重量和體積大大減少，定位精度高，需要直線運(yùn)動(dòng)時(shí)候直線電機(jī)可實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)：調(diào)速系統(tǒng)中使用的開(kāi)關(guān)磁阻馬達(dá)是SRD 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的組成部分，也是 SRD 區(qū)別于其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要標(biāo)志。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的凸極由普通硅鋼片制成。轉(zhuǎn)子既沒(méi)有繞組，也沒(méi)有永久磁鐵。定子極繞有集中繞組，兩個(gè)徑向相反的繞組相連，稱(chēng)為“一相”，定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)有許多不同的配置。相位多，步進(jìn)角小，可以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，臟開(kāi)關(guān)裝置多，成本高[11-12]。

2 SVPWM 控制

SVPWM 是Space Vector Pulse Width Modulation 的簡(jiǎn)寫(xiě)，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型控制方法。三相逆變器由六個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件組成的特殊開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生了脈寬調(diào)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(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制不同，空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）追求整體效果，其目標(biāo)是使電機(jī)運(yùn)行在一個(gè)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(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，并導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)現(xiàn)象。

常見(jiàn)的三相全橋是由六個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成的三個(gè)半橋。由于各橋臂的上下部信號(hào)相反，六個(gè)部件可以有8種安全開(kāi)關(guān)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(duì)應(yīng)的上斷，下通。000 和111 狀態(tài)不能使電機(jī)正常工作，因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生有效的電路。基于6 種開(kāi)關(guān)組合就可以構(gòu)成6 個(gè)有效的向量，他們平分整個(gè)一周（360°）的電壓，每個(gè)有60°的扇區(qū)，六個(gè)扇區(qū)配合上兩個(gè)零向量就可以合成平面中任意一個(gè)向量，當(dāng)要合成某一矢量時(shí)先找到兩個(gè)基本向量，一般是找到距離被表示向量最近的即可，每個(gè)基本矢量起到的作用以時(shí)間長(zhǎng)度表示，用電壓矢量按照不同的時(shí)間比例去合成所需要的電壓矢量。

變頻電機(jī)工作時(shí)，矢量方向也是一直改變的，因此矢量作用時(shí)間也需要不斷的修正，一般采用定時(shí)計(jì)算法（如每0.1ms 計(jì)算一次）以便于處理，此時(shí)只需算出在0.1ms 內(nèi)兩個(gè)基本矢量作用的時(shí)間就可以了?？臻g電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的主要特點(diǎn)是：（1）每個(gè)開(kāi)關(guān)只涉及一個(gè)器件，即使每個(gè)單元之間有多個(gè)開(kāi)關(guān)，但總損耗仍然很??；（2）由于電壓空間矢量直接產(chǎn)生三相PWM 波，因此計(jì)算簡(jiǎn)單；（3）輸出線的最大基波電壓為直流側(cè)電壓，比常規(guī)正弦波逆變器高15%。