基于Maxwell2D的混合励磁双凸极电机仿真研究

基于Maxwell2D的混合励磁双凸极电机仿真分析
摘要:基于混合励磁双凸极电机原理，利用Ansoft公司的Maxwell 2D 瞬态模块建立了混合励磁双凸极(hybrid excited doubly salient，简称HEDS)电机的仿真模型,对HEDS电机性能进行了瞬态仿真研究，并分析了调节励磁直流对转矩脉动的影响。

关键词:混合励磁双凸极电机；Maxwell2D；瞬态仿真；转矩脉动
0 引言
混合励磁双凸极电动机是一种新型的电动机, 其电磁特性有待进一步深入研究。

在混合励磁双凸极（HEDS）电机[1,2]的定子上，既有永磁体又有电励磁绕组，通过改变电励磁绕组电流的大小和方向，实现了由永磁体和电励磁绕组共同产生的电机内气隙磁场平滑调节与控制，有效解决了双凸极永磁电机[3]难以实现电机气隙弱磁控制、恒功率调速范围较小的不足，在电动汽车等需宽调速直接驱动的场合具有较好的应用前景，且该电机结构新颖，励磁控制简单，调磁效果明显，励磁损耗小，具有较高的研究和实用价值[4]。

HEDS电机由于其定、转子极均为凸极结构，存在着显著的边缘效应和高度的局部饱和现象，所以电机内磁场空间分布非常复杂，并且，电机在运行过程中，对于不同的负载和转速，磁通、电流、转矩各量均呈现出不同的变化波形，因此，在进行电机内部磁场分析和电机性能计算时，采用有限元分析法是十分有效的。

由于，HEDS电机、功率变换器、控制器三者之间的强耦合特征, 所以使得HEDS电机在外电路的控制下，直接使用有限元方法对电机的电磁场进行分析和计算，能更真实地仿真其性能,获得更加精确的计算结果。

本文将应用Ansoft公司的Maxwell2D软件模块来建立一个HEDS电机模型，并对该电机模型的性能进行了瞬态仿真研究，同时仿真分析了直流励磁对输出转矩脉动的影响，为混合励磁双凸极电机的优化设计和励磁控制的优化提供一定的指导。

1 HEDS电机结构
混合励磁双凸极电机的基本结构与开关磁阻电机类似, 其定、转子均为凸极齿槽结构, 定子和转子铁芯均由硅钢片迭压而成, 定子铁芯上镶嵌永磁体。

转子上无绕组,定子上装有集中电枢绕组和直流励磁绕组,空间相对的定子齿上的绕组串联构成一相。

图1 三相12/8极HEDS电机结构截面图
图1是1台三相12 /8极混合励磁双凸极电机的截面图, 通过定、转子极弧的合理选择，可使合成气隙磁导为一常数, 而与转子位置无关,这样不仅保证永磁体工作点保持不变，而且可使电机励磁绕组所匝链的磁链将不随转子位置角θ而改变, 励磁绕组不会产生感应电势,电机静止时无定位力矩。

转子极弧要求大于或等于定子极弧,以保证电流换向。

图1所示HEDS电机结构中在永磁体外侧有一定尺寸的铁心导磁桥，导磁桥为直流励磁绕组提供主要通路，以达到用较小的直流励磁磁势实现较大范围的主磁通变化，通过调节电励磁绕组电流的大小和方向，调节气隙磁场的强弱，一方面实现了电机磁场弱磁控制，使电机具有宽广的恒功率调
速范围；另一方面可进行增磁控制，满足驱动负载低速、大转矩的要求[5]。

电机的主要设计参数为:额定功率750W，额定转速1500r/min，定子内径75mm,定子齿高14mm, 定子极弧15度,转子齿高10mm, 转子极弧20度, 气隙长度0.35mm，铁心长度75 mm。

永磁材料：NdFeB，永磁体尺寸23*4.5*75（mm）。

其中定、转子所用软磁材料型号为D23。

2 HEDS电机二维有限元模型及控制电路
根据HEDS电机的特点, 作如下假定:
1)忽略电机端部效应, 设电机磁场沿轴向均匀分布, 即电流密度矢量J和矢量磁位A 只有轴向分量, J = J z , A =A z ;
2) 忽略铁心磁滞效应,即磁化曲线是单值的;
3)电机外部磁场忽略不计, 即定子外表面圆周为一零矢量位面;
4)绕组电流密度均匀分布;
建立电机二维有限元模型, 并进行网络剖分, 剖分结果如图2所示。

图2 二维有限元网络剖分图图3 三相12/8极HEDS电机功率变换器模型
由于Ansoft自身带有位置变量P, 我们可以利用变量P得到转子运行的位置为功率变换器
提供正确的换相信息。

本文采用六状态换流模式 [6]的相绕组通电方式，整个驱动系统属于开环系统。

图3为HEDS电机驱动系统的功率变换器模型图。

3 瞬态仿真分析
基于以上建立的HEDS电机驱动系统仿真模型，对样机进行了瞬态仿真分析，得到了动态仿真结果，取其一部分列于图4和图5中。

图4为空载起动后弱磁的电机性能波形,其中：(a)为转速随励磁电流变化的曲线，(b)相绕组磁链波形。

图5为额定负载起动后变载调磁的电机性能波形，其中:(a)转速随负载转矩及励磁电流变化的曲线，(b)额定负载相绕组磁链波形，(c) 额定负载相绕组电流波形，(d)额定负载相绕组转矩波形。

注：图4和图5中的磁链、电流和转矩的波形均为略大于电机一个控制周期即一个转子极距0～45°范围的波形，且均取自只有永磁体励磁时电机稳定阶段。

(a)转速随励磁电流变化曲线 (b)相绕组磁链波形
图4 空载下电机性能波形
(a)转速随负载转矩及励磁电流变化的曲线 (b)额定负载相绕组磁链波形
(c) 额定负载相绕组电流波形 (d) 额定负载时输出转矩波形
图5 负载下电机性能波形
电机空载时，调节直流励磁使气隙磁场为永磁体励磁时的一半，电机转速基本上升高了一倍，即图4(a)所示，且调磁电流与理论分析值相符合。

分析图5(a)，电机带额定负载4.77Nm 起动，经0.1秒达到额定转速并稳定，起动过程平稳，在0.3秒时，负载突变为5.5Nm，转速稳定在1440r/min,0.6秒时调节直流励磁，转速经过短时振荡后恢复为额定转速，此时的转速脉动大于无直流励磁时的转速脉动。

图5（c）为电机带额定负载时三相绕组电流曲线，由于双凸极结构、电机局部饱和等原因，三相电流并不完全对称。

相绕组电流由正到负的换流过程是在相绕组电感最大值附近，电流负向增长较慢，同时，另一相绕组是在电感最小处关断功率变换器的下桥臂，负向电流下降较快，由于三相电流要满足守恒定律，就造成了通正向电流相电流塌陷。

与图5(d)相对照，正向电流在第一个峰值时转矩最大，正向电流塌陷为最小值时转矩最小。

由于增大最小转矩或减小最大转矩都可减小转矩脉动。

根据以上分析，得出限制电流幅值和提高负向电流增长速度都可减小转矩脉动。

利用建立的驱动模型进行了电流限幅控制仿真，验证了减小电流幅值可以有效的减小最大转矩。

对比图4(b)和图5(b)，相绕组磁链变化与电枢电流变化具有明显的对应关系，电枢电流所产生的磁场在前半周为增磁，后半周为去磁，负载后电枢反映严重的改变了空载相绕组磁链波形。

一般情况下，绕组通电方式是在静磁场分析得到的绕组磁链基础上制定的[7]，但是实际运行中电枢反映会使绕组磁链波形发生变化，在制定控制策略时应考虑电枢反映的影响。

4 直流励磁对输出转矩的脉动影响分析
与其他双凸极电动机(如双凸极永磁电动机)一样,HEDS电动机也存在转矩脉动问题。

从电机设计和应用来说，较理想的结果是电机能够在较低的转矩脉动条件下提供较高的输出转矩，即转矩脉动率较小。

定义最大电磁转矩、最小电磁转矩之差与转矩平均值的比值为转矩脉动率[8]。

通过仿真分析发现改变励磁直流调节气隙磁场会对转矩脉动率有不可忽视的影响，图6给出了在5种不同大小负载下，改变励磁电流，转矩脉动率的变化曲线，从图中可以看出每个负载下都有个使转矩脉动最小的励磁直流电流值。

图 6 转矩脉动率随励磁直流变化曲线
为了方便表述，把额定负载及以上称为重载，把额定负载以下称为轻载。

重载时，转矩脉动率随励磁直流正向增大而缓慢增加，但当负载转矩和励磁直流都增加到一定值后转矩脉动率会有明显的减小，如图6中负载9Nm、励磁直流由3A到4A，转矩脉动率减小了。

同样在重载情况下，随着励磁直流负向增加，转矩脉动率由平缓变化到大幅度提高，当负向电流达到一定值电机停转，如图6中负载9Nm、直流励磁-3A时，电机停转。

轻载时，转矩脉动率随励磁直流正向增大而逐渐增加，且增加幅度较重载时大得多。

同样轻载情况下，转矩脉动率随励磁直流负向增大先略微减小而后逐渐缓慢增加。

可见，从减小输出转矩的脉动率角度来讲，增加励磁直流的增磁控制较适合于重载，而减小励磁直流的弱磁控制较适合于轻载，并且这不与HEDS电机增磁提高转矩、弱磁提高转速的调磁目地相矛盾。

所以，在电机的调磁设计及调磁控制时，应考虑到励磁直流与电机负载转矩的合理匹配问题，这对电机调磁时输出转矩的质量有较大的影响。

5 结语
本文在A n sof t M axw ell 2D 环境下建立了HEDS电机的仿真模型, 完成了对HEDS电机
驱动系统的仿真研究。

仿真结果准确反映了HEDS电机性能,仿真分析为进一步研究该电机的动态特性、优化电机设计、提高控制系统性能提供一定的指导。

（1）瞬态仿真调磁效果与理论分析相一致，通过励磁直流的调节可实现增磁提高转矩和弱磁提高转速。

根据仿真可以看出样机起动平滑，负载突变时，转速超调小，增磁励磁电流作用时，能提高电机的动态响应速度。

（2）从瞬态仿真得到的电流和转矩的波形更直观地看到了转矩与电流的对应关系，根据最大转矩与最小转矩出现的时刻，得出控制电流峰值和提高电流换流速度都能有效的减小转矩脉动。

（3）随着负载的不同，电枢电流的改变使绕组磁链波形在电枢反应作用下产生不同的改变，在制定双凸极电机绕组通电方式时应考虑电枢反映的影响。

（4）一定负载下，输出转矩的脉动率会随直流励磁改变而变化，合理匹配直流励磁与负载有利于减小输出转矩的脉动。

参考文献
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Excited Doubly Salient Permanent Magnet Brushless Motor[C].IEEE ICEMS 2005：401
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