新型模塊化磁通切換永磁電機驅動系統建模與仿真研究
徐磊，程明，趙文祥
（東南大學電氣工程學院伺服控制技術教育部工程研究中心，南京210096）
摘要：磁通切換永磁（fspm）電機是一種新型定子永磁型電機，具有功率密度高、效率高等優點。為提高其容錯性能，提出了一種具有模塊化結構的fspm（m-fspm）電機。建立了該電機定子／轉子坐標系下的數學模型，驗證了矢量控制應用于m-fspm電機的可行性。運用matlab/simulink仿真軟件搭建了m-fspm電機系統的仿真模型。研究結果表明，m-fspm電機是一種新型容錯電機，具有優良的穩態和動態性能。
關鍵詞：永磁電機；模塊化；容錯；仿真中圍分類號：tm351 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848( 2010)03-0037。05
o引言
隨著科學技術的不斷發展，電機的應用涉及到軍事、民用等各個領域。但是，由于電機及其驅動系統總是存在著一定的故障率，因此其可靠
性問題越來越引起人們的關注，特別是在航空航天等對連續運行有較高要求的領域，對電機可靠性的要求就更加嚴格。
永磁電機由于使用高性能永磁材料作為勵磁源，具有體積小、效率離、功率密度高等優點。研究表明，定子永磁型電機在兼具轉子永磁型電機諸多優點的基礎上其永磁體置于定子的結構降低了發生轉子機械故障和永磁體高溫退磁故障的可能性。已有學者對雙凸極永磁( dspm)電機的容錯性能進行了分析和研究1。而近期研究表明，磁通切換永磁( fspm)電機在功率密度、轉矩性能等方面較dspm屯機優勢明顯。但是，由于自身結構特性的限制，fspm電機的相間互感較dspm電機偏大，這在一定程度上限制了fspm電機的容錯運行能力。盡管已有國外學者為這一技術難題提出了解決方但仍存在諸多不足，如電機的反電勢諧波較大、幅值不對稱等。
為此，本文提出一種模塊化fspm( m-fspm)電機結構。該電機是在保留fspm電機高轉矩性能的基礎上，引入模塊化繞組結構的一種新型定子永磁型電機。通過在定子齒部引入了容錯齒，實現相間解耦，進一步提高電機的容錯運行性能。本文基于matlab/simulink，建立了一臺三相12/14極m-fspm電機的仿真調速系統，對電機的穩態和動態性能進行了分析研究。
1 運行原理與特性
圖1為一臺三相12/14極m-fspm電機的截面圖。m-fspm電機與傳統結構的12/10極fspm電機結構較為相似，它由12個定子齒、12個容錯齒以及14個轉子齒組成。圖2為該電機在1 000 r/min時的三相空載反電勢波形。由圖可見，反電勢正弦度較好，三相反電勢互差120度。由于定子上容錯齒的引入，使得一相的磁力線不再像fspm電機那樣從相鄰相穿過，而是從容錯齒穿出，到達氣隙和轉子，實現了磁路的解耦。
表l對比了具有同樣電機外徑和繞組匝數的2臺fspm電機與m-fspm電機的自感和互感情況。通過對比可以發現，互感與自感的比例由fspm電機的近47.8 010降低到了m-fspm電機的百分之19. 3，所提出的電機在磁路獨立性方面的性能提升較為明顯。
2數學模型
三相m-fspm電機數學模型為
假設運行于永磁交流無刷( blac)方式的mfspm電機，其三相電樞電流與每相反電動勢波形保持同相位，可以表示為：
其中，l為每相電樞電流幅值，p。為轉子極數，θ為轉子位置角。
通過派克變換可得到轉子坐標系下的直軸電流、交軸電流以及零軸電流滿足：
變換得到的交軸電流等于定子坐標系下的正弦電流幅值，而直軸相零軸電流都為零。
電磁轉矩表達式為：
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