曹琦 潘晶 陳盼

摘要：文章主要闡述開關(guān)磁通電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)，分析其運行原理，討論發(fā)電機(jī)運行時的無功補(bǔ)償策略，提出將能恢復(fù)開關(guān)串聯(lián)補(bǔ)櫝的方式應(yīng)用到開關(guān)磁通電機(jī)運行控制系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)建模，在仿真系統(tǒng)中，對其運行方式和穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁通啟動發(fā)電機(jī)；控制電路；模擬試驗

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國居民汽車的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到76.2%，汽車已經(jīng)成為居民日常出行的重要代步工具。但汽車數(shù)量越來越多的時候，汽車的啟動和行駛都需要石油資源，而我國石油資源本身就比較稀缺，為了解決人們的生活需求，盡快研制電動汽車、混合動力汽車成為當(dāng)前迫在眉睫的任務(wù)。隨著現(xiàn)代科技的不斷提升，越來越多的汽車技術(shù)被應(yīng)用到實踐生產(chǎn)中，例如，太陽能汽車就是世紀(jì)新能源汽車的代表。然后電機(jī)技術(shù)是汽車制動系統(tǒng)中的核心部分，是重要的構(gòu)件，在汽車結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用。開關(guān)磁通是新型的電機(jī)技術(shù)工藝，能起動發(fā)電機(jī)控制電路，為后期蓄電。開關(guān)磁通具有體積小、效率高等特點，在汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯。下面對工藝的實現(xiàn)和仿真進(jìn)行簡要的分析。

1 開關(guān)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 開關(guān)磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點

磁通開關(guān)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于雙凸永磁電機(jī)，均屬于定轉(zhuǎn)子齒槽結(jié)構(gòu)，其中定轉(zhuǎn)子是構(gòu)件的核心，主要是由鐵芯硅鋼片制作而成。定轉(zhuǎn)子上面不僅裝有電樞繞組，還有勵磁繞組，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單、穩(wěn)固。在運行過程中，對產(chǎn)生的熱能可以很快地進(jìn)行散熱，還有很強(qiáng)的魯棒性能，適用于高速領(lǐng)域，按照級數(shù)、相數(shù)分，開關(guān)磁通電機(jī)有單相結(jié)構(gòu)及三相結(jié)構(gòu)。本文以單相開關(guān)磁通電機(jī)為例，對其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行簡要闡述。

1.2 開關(guān)磁通電機(jī)工作原理

開關(guān)磁通電機(jī)定子繞組接通電源時，轉(zhuǎn)子能讓繞組轉(zhuǎn)到與定子磁阻最小的位置，從而產(chǎn)生一種磁阻轉(zhuǎn)矩。設(shè)定轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)的發(fā)電狀態(tài)，通過繞組通有單極性電流產(chǎn)生單相的磁通向量，以電樞繞組槽中心線為中心對齊，此時點數(shù)繞組產(chǎn)生負(fù)電流，讓轉(zhuǎn)子能順時針旋轉(zhuǎn)，然后產(chǎn)生一種定子級對齊的趨勢，此時就處于一種發(fā)電狀態(tài)，此時的轉(zhuǎn)矩匯轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇?。在整個電機(jī)系統(tǒng)工作時，勵磁繞組是重要的合成磁通向量，這種向量在定子級之間相互切換，轉(zhuǎn)子極將磁通工作產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子向量達(dá)到最大。電樞繞組中電流的反向?qū)?dǎo)致定子合成磁，這種能量在相鄰的定子級之間相互切換，并產(chǎn)生振蕩。整個系統(tǒng)接通電源處于發(fā)電狀態(tài)，電磁繞組處于通電狀態(tài)，然后結(jié)合機(jī)械自身產(chǎn)生的一種原動力，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生不斷的感應(yīng)電流，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2 基于MATLAB的仿真模型

2.1 開關(guān)磁通發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)定

開關(guān)磁通的電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，以單邊勵磁方式進(jìn)行工作。在數(shù)字模型建立前，設(shè)定好變量和定量，首先假設(shè)勵磁電源電壓保持不變，繞組漏磁忽略不計。在運行中，系統(tǒng)中的其他器件和開關(guān)不會出現(xiàn)故障問題，也不會出現(xiàn)斷電情況。設(shè)定的恒定電轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的電流電壓參考標(biāo)準(zhǔn)，可得燃燒安全保護(hù)裝置（Flame Safeguard System，F(xiàn)SG）磁鏈方程，即

上述公式中，ψa表示電樞繞組和勵磁繞組的磁鏈；Ua和Uf分別表示電樞繞組和勵磁繞組中的電壓；ia和if是電流；La和Lf是自感； Laf是互感；θr是轉(zhuǎn)子角度；J是轉(zhuǎn)動的慣量； w是角速度；Tdev是瞬時轉(zhuǎn)矩；Tload是負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2.2 MATLAB電機(jī)系統(tǒng)建模與試驗

根據(jù)上述參數(shù)的設(shè)定，為了對系統(tǒng)的性能和參數(shù)設(shè)定方案的可行性進(jìn)行驗證，必須在元器件投入生產(chǎn)之前，進(jìn)行建模，然后在仿真模型中進(jìn)行試驗。研究采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真建模，使用仿真工具SIMULINK，這個工具的功能齊全，是最容易使用的一種。雖然這個工具不能直接進(jìn)行電路仿真，但是在開關(guān)電磁中發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，這個工具能為系統(tǒng)運行提供串聯(lián)補(bǔ)償器，是仿真試驗中的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)MATLAB的電氣系統(tǒng)模塊庫功能系統(tǒng)，利用它解決開關(guān)磁通系統(tǒng)建模試驗研究問題。根據(jù)SIMULINK工具中的PSB模塊，最終對電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的混合仿真，并建立模型[1]。

開關(guān)磁通發(fā)電機(jī)本體是核心部分，也是整個系統(tǒng)的初步模型，直接影響著系統(tǒng)中的電感和電流及電樞繞組等功能。仿真中一定要保證該部分的精準(zhǔn)度，特別注意非線性電感的處理。根據(jù)開關(guān)磁通發(fā)電機(jī)電壓方程式（2），在MATLAB軟件中，使用SIMULINK工具建立微積分、積分、加減乘除等模塊，建立開關(guān)磁通發(fā)電機(jī)的勵磁繞組和電樞繞組模塊（見圖2）。

電機(jī)中的非線性電感特性是影響整個仿真模型建立精準(zhǔn)度的關(guān)鍵，也是仿真模型構(gòu)建的重要基礎(chǔ)。在建模中，一定要考慮中電流的非線性變化。根據(jù)MATLAB軟件中的語言編程，在構(gòu)建的模型中使用Look-up的功能插值實現(xiàn)，對電感特性進(jìn)行測試，采用雙凸極的結(jié)構(gòu)，確定電感和轉(zhuǎn)子的相對位置，在電流通過時，電感位置角度和電流的函數(shù)得出之后，實現(xiàn)開關(guān)磁通發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)確建模[2-3]。通過上述參數(shù)設(shè)定和模型構(gòu)建，在仿真模型中，應(yīng)該考慮電機(jī)軸向長度的變化，設(shè)定定子和轉(zhuǎn)子鐵芯無窮大，此時的軸向端部產(chǎn)生效應(yīng)，從而產(chǎn)生磁場，得到二維靜磁場的最終參數(shù)，確定數(shù)值。

3 開關(guān)磁通啟動發(fā)電機(jī)控制電路的優(yōu)勢

開關(guān)磁通電機(jī)最先開始是應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中，主要是對汽車的運行系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速苦控制。該技術(shù)作為一種新型的電機(jī)，它集中開關(guān)磁阻電機(jī)和直流電機(jī)的特點，采用結(jié)構(gòu)雙凸極機(jī)構(gòu)，具有機(jī)械強(qiáng)度高、運行速度快、大轉(zhuǎn)矩及高功率等特點。該技術(shù)還是一種電子換向無刷電機(jī)，在使用中故障問題少，壽命使用時間久，且轉(zhuǎn)矩控制的靈活度和精準(zhǔn)度極高，能實現(xiàn)速度控制，從而在汽車生產(chǎn)實踐中被廣泛應(yīng)用，如電器、電動工具和電動車領(lǐng)域方面[4-5]。同時，根據(jù)電機(jī)運行的可逆性原理，開關(guān)磁通電機(jī)還可以工作于發(fā)電狀態(tài)。該技術(shù)與傳統(tǒng)的永磁無刷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理不同，這種開關(guān)磁通可以對勵磁進(jìn)行獨立控制，這是開關(guān)磁通具有的獨特優(yōu)勢。對開關(guān)磁通發(fā)電機(jī)運行的研究具有重要的現(xiàn)實意義，并逐漸引起了學(xué)術(shù)界的重視。

4 結(jié)語

上述通過剖析開關(guān)磁通電機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成，對工作原理進(jìn)行闡述，掌握了其運行原理之后，借助MATLAB軟件建立了非線性的仿真模型，并確定開關(guān)磁通發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)參數(shù)，通過有限元計算方法，驗證了設(shè)定參數(shù)的可行性和正確性。通過仿真模擬試驗，最后在單片機(jī)的開關(guān)磁通發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件中了解了硬件設(shè)計，最終在仿真試驗的結(jié)果參考下，順利設(shè)計并制作了電路控制器，并對其進(jìn)行控制和調(diào)試，對開關(guān)磁通對電路控制的智能性和可行性進(jìn)行了驗證，最終取得理想的結(jié)果。試驗表明，開關(guān)磁通啟動發(fā)電機(jī)控制電路的設(shè)計方案，能滿足汽車制動的需求，還能提高系統(tǒng)運行效率，降低發(fā)動機(jī)運行的震動和噪音，是一種值得大力推廣的技術(shù)和新型的工藝。

[參考文獻(xiàn)]

[1]崔敏超，趙升噸，陳超，等.混合動力汽車用開關(guān)磁通電動/發(fā)電機(jī)數(shù)值模擬及試驗研究[J].機(jī)械工程學(xué)報，2016（16）：100-105.

[2]鄭萍，梁光照.新型橫向磁通永磁直線發(fā)電機(jī)單位內(nèi)功率因數(shù)控制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]梁光照.航天用斯特林發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]袁立，劉汝慧.主變分接開關(guān)調(diào)檔對發(fā)電機(jī)無功的影響[J].電世界，2016（11）：55-55.

[5]王雙嶺，陳會鴿.應(yīng)用恒磁通匹配發(fā)電機(jī)直流母線電壓控制分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2017（4）：236-239.