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混合励磁拓扑和控制定子永磁机的策略直流电源系统
摘要
定子永磁（PM）机器具有简单而坚固的转子结构以及高转矩密度。混合励磁拓扑可以实现通量调节和定子PM的宽恒功率操作能力机器用于直流电源系统时。本文比较并分析了不同混合动力汽车的电磁性能励磁定子PM机器根据不同的组合PMs模式，励磁绕组和铁磁桥。然后，控制直流电力系统的电压调节策略根据不同的关键控制变量进行讨论励磁电流，电枢电流和电磁扭矩。此外，改进的直接转矩控制（DTC）战略进行调查，以提高系统性能。一个并联式混合励磁磁通切换发电机改进的DTC显示出优异的动态和稳态性能已通过实验获得。
关键词 BLDC和BLAC模式，直流电源系统，双凸极，磁通切换，混合励磁发电机，稳态和动态性能。
一导言
DC POWER系统在独立运行中发挥重要作用更多电动飞机的供电系统，全部电动飞机，电动汽车（EV）和混合电动汽车[1] - [3]。直流电源系统的主要特点包括
[4]，[5]
1）高可靠性和高效率;
2）高转矩密度;
3）速度范围宽，通量调节能力强;
4）广泛的恒功率操作能力;
5）在很宽的速度范围内有良好的电压调节。
发电机的拓扑结构和控制策略都会产生影响直流电源系统的性能大大提高[3] - [5]。许多
机器的类型可以用作发电机，例如同步电机，感应电机，和开关磁阻机[6] - [14]。
不同类型机器之间的比较问题可能包括可靠性，容错性和冗余性，通量衰减和恒功率操作能力，扭矩密度，效率。开关磁阻电机（SRM）展出其优点包括高可靠性和容错性，并因此享有相当大的兴趣作为发电机使用直流电力系统[4]。
虽然SRM具有简单而坚固的结构，但永久性磁铁（PM）无刷电机可以提供高效率转矩密度[11]。然而，气隙磁通密度的PM机器难以调节。混合激励机器结合了两台PM机器的优点和缠绕场同步电机[1]都有潜力以改善通量减弱和通量增强性能和效率[15];因此，这种类型的机器是一个不错的选择作为直流电力系统的发电机[2]。
一般来说，根据磁铁的位置，有两个混合励磁无刷电机的类型，即混合动力励磁转子永磁电机和混合励磁定子PM（HESPM）机器[15]，[16]。转子涡流损耗，特别是在混合励磁转子中的转子磁体中永磁电机通常很高，并且其扭矩密度通常很高受到转子上磁体的温升限制其相对较差的热状态[17]。此外，它对于转子PM机器来说是相对复杂的无刷励磁。 [16]中的转子PM机器需要另外两个气隙达到无刷结构。
因此，混合励磁定子PM机器具有不重叠的绕组，即混合激励双重显着（HEDS）和混合励磁通量切换（HEFS）正在考虑并正在进行广泛的调查[18] - [21]。他们的转子显着而坚固绕组或PM，与SRM [22] - [26]相同。当磁体在定子上时，温度升高磁体可能更容易管理[27]，[28]。
本文的目的是进行比较和分析混合激励拓扑和控制策略对于双凸极PM（DSPM）机器（BLDC模式）和通量切换PM（FSPM）机器（BLAC模式）。 该系列混合励磁拓扑结构[18]，[29]，系列具有铁磁桥的混合励磁拓扑[15]，[20]，和DSPM的并联混合励磁拓扑机器和FSPM机器进行比较和分析特别强调可靠性（PM退磁），
励磁绕组利用率和PM利用率（PM磁短路）。上述拓扑结构被分类和根据图1进行研究。在图1中，定子激励根据机器可以分为三大类励磁模式：永磁励磁机，电机励磁机和混合励磁机。然后，每个组可以根据极性进一步分类的定子磁通。这篇论文将会看看每个类别转。直流电源调压控制策略包括励磁电流控制策略的系统，电枢电流控制策略和直接转矩控制（DTC）战略进行了讨论，并与具体比较强调动态和稳态性能，电枢电流总谐波失真（THD）和功率因数[8]。另外，改进的DTC，可以实现直接和对瞬时转矩的平滑控制也进行了研究以稳定状态和稳定状态达到良好的系统性能动态条件。在本文的其余部分安排如下。在第二节，图1中的拓扑及其操作原理进行分析和比较。混合动力汽车的控制策略励磁定子永磁发电机直流电源系统的研究并在第三节中讨论。第四部分介绍了实验结果;最后，第五节给出结论.
二定子永磁（PM）励磁电机
定子PM机器图2显示了DSPM，WFSRFSS的横截面机器[30] - [32]和FSPM机器。 比较三台机器之间的总结如下。
A.相似之处
a）它们的转子显着而坚固，没有绕组或PMs [11]。
b）与转子PM机器相比，DSPM和FSPM机器位于定子上，磁体的温升可能更易管理[17]。
c）采用非重叠集中电枢绕组，从而导致与传统的重叠绕线机不同[23]
B.差异
a）DSPM和FSPM机器可以整体工作期间通过使用PM。在WFSRFSS机器中，F1至F6定子齿缠绕成励磁线圈，用直流电流激励，其余六个定子齿A1，A2，B1，B2，C1和C2包含六个电枢线圈，使两组三相绕组实现整体期间操作[30] - [32]。
b）FSPM机器的定子磁链是双极的，而DSPM机器的单极性[23]。
c）定子磁链和WFSRFSS的反电动势机器和FSPM机器基本上是正弦曲线，而DSPM机器的反电动势是更多的梯形[21]。因此，WFSRFSS机器和FSPM机器适用于BLAC操作，而DSPM机器适用于BLDC操作[23]。
d）FSPM机器的扭矩能力高于由于通量集中而导致的DSPM机器效果[21]。
e）在表面安装的PM机器和另一种典型的定子PM机器（通量反转PM机器）中，电枢绕机器在弱磁区域的运行能力。而对于DSPM和FSPM机器来说，电枢反应磁通不通过磁体（如图3所示），不可逆的退磁承受能力很高，这使得DSPM和FSPM机器适用于弱磁操作[21]。在发电模式下，恒定的输出电压WFSRFSS机器可以通过调节激励来实现前半周期的电流，这表明了WFSRFSS机器具有良好的恒功率操作能力。然而，DSPM和FSPM的激励场机器由PM难以规范生产。因此，为了实现激励场调节，混合励磁拓扑结构对于提高DSPM和FSPM机器的运行能力是必要的恒定功率区域，因此需要进行调查.
三．定子的混合励磁拓扑机器
A.电动激励双凸面机器的拓扑结构和电励磁通量切换（EEFS）机器PM与励磁绕组结合使用导致被称为混合激励的组合概念机器[15]。对于DSPM和FSPM机器，它们相应电励磁拓扑结构分别是电励磁双凸极（EEDS）电机和电励磁磁通开关（EEFS）电机[24]，[30]，如图所示在图4中。EEDS的电磁性能比较而EEFS机器与DSPM之间的机器类似和FSPM机器：EEFS机器显示双极定子磁链，良好的正弦双极反电动势波形[如图4（d）所示]和较高的转矩密度[24]。WFSRFSS和EEFS设备均采用集中式电枢绕组和励磁绕组，可减少电枢绕组和励磁绕组铜损和表现双极定子磁链以及良好的正弦反电动势波形[30] - [32]。但是，那两台机器也有两个区别。
1）EEFS机的转子加工技术是显示比WFSRFSS机器简单较大的转子阻力系数。
2）由于磁路结构不同，WFSRFSS机器的电枢绕组相互较小电感。
在混合励磁拓扑结构中，永磁发电机，励磁绕组和铁磁桥会影响电机整体性能包括：
1）可靠性（PM退磁），2）PM磁短路，3）转矩能力，4）通量调节能力，以及5）励磁电流利用率和激励损失。
B.定子的串联混合励磁拓扑PM机器
简单的组合就是减少PM的PM量机器和增加励磁绕组，也可以被认为是取代电气的铁通量桥励磁机由PMs [15]，[29]，[34]。横截面显示了两台SHEDS机器和两台SHEFS机器在图5中。图6和7给出了操作原理和领域SHESPM机器的分布。对于这个组（串联混合激励），PM和激励绕组串联，激励磁通穿过如图1和2所示。 6（e） - （h）和7（e） - （h）。根据以上分析，开发了等效集总参数磁路模型来总结SHESPM机器的特性[15]，如图所示图8，其中Fc是励磁绕组MMF，Fm是PMMMF，Lambda;m是PM渗透率，Lambda;sigma;是渗透渗透率，delta;是气隙磁导，Fa是电枢MMF，Phi;m是PM磁通，Phi;c是励磁绕组磁通，Phi;sigma;是磁通泄漏，Phi;delta;是气隙流量。由于PM的磁性，可能会有一些缺点被确定[1]。
1）由于PM的渗透性接近于空气的渗透性，励磁绕组磁路的磁阻是比较高的，这将限制通量调节能力。
2）此外，退磁的风险应该是考虑C.定子PM的串联混合励磁拓扑有铁通量桥梁的机器为了克服这些缺点，文件[20]增加了如图9所示的铁磁通桥桥接到图6的拓扑结构增强励磁绕组的变化能力励磁通量水平[15]，[20]。铁磁桥的影响及其对PM的影响基于SHEDS-IFB1和SHEFSIFB1讨论了通量。图10和11给出了操作原则和领域两台机器的分配。根据图。 10和11，等效集总参数开发了磁路模型来总结带有铁磁桥的SHESPM电机的特性如图1和2所示。 12和13，其中，I是铁磁通量桥渗透。在图13中， Lambda;m，励磁绕组利用率大大提高。通过使用铁通量桥，激励通量（Phi;c）由激励提供绕组是
Phi;c= Fc ^（Lambda;delta; Lambda;sigma;）
Lambda;1 Lambda;delta; Lambda;sigma;= Fc 1 Lambda;delta; Lambda;Lambda;delta; Lambda;sigma;sigma;
lambda;I
可以看出，铁随着铁的增加而增加磁通桥宽度，这导致Phi;c的增加。但是，铁磁桥将导致磁路短路PMs的短路和短路通量，即， Phi;msigma;，可以表示为
Phi;msigma;= FmLambda;I1 Lambda;I Lambda;delta; Lambda;sigma;
lambda;M= FmLambda;m1 Lambda;m Lambda;delta; Lambda;sigma;lambda;I
因此，由PM提供的激励通量（Phi;m）是Phi;m= FmLambda;delta; Lambda;sigma;1 Lambda;I Lambda;delta; Lambda;sigma;lambda;M从（2）和（3）可以看出，Phi;c和Phi;msigma;都增加随着Lambda;I的增加，但同时Phi;m减小。
铁磁桥宽度增加的影响并基于SHEFS-IFB1讨论了它们对激励电流利用率和PMs短路的影响。图14给出了定子磁链的峰值SHEFS-IFB1具有不同的铁磁桥宽度。 有可能只看到在励磁通量下，与铁磁通量桥接从0.5mm增加到2mm，产生了磁链通过激励电流从0.012 Wb增加到0.018 Wb;而在PM之下，随着铁通量的增加从0.5毫米到2毫米，由PM产生的磁链从0.056 Wb降低到0.046 Wb。在SHESPMIFB拓扑结构中，PM的磁场与励磁绕组的磁场耦合，这种关系对励磁电流的利用率有影响分析如下。众所周知，铁磁材料的渗透性随着磁饱和而下降，这导致了一个增加磁阻[15]。如图15（a）所示，PM磁通在定子磁轭，定子中引起高饱和牙齿和转子齿，并且同时，短路磁通会在铁磁桥中造成高饱和。当负向激励电流施加在铁中时励磁绕组磁通的方向与短路通量的原因相一致磁阻进一步饱和和增加[阴影在图15（b）中]，因此导致激励电流利用率低。而当正激励电流是在铁磁桥中施加激励的方向图13.
SHESPM-IFB的集总参数磁路模型不同的操作原则：
（a）仅激励通量。 （b）仅限PM。 绕组磁通与短路磁通相反降低饱和度和磁阻;然而，在定子磁轭，定子齿和转子齿的方向励磁绕组的磁通量与之相符PM通量，这会导致进一步的饱和和磁电阻增加[图15（c）中的阴影]，因此也导致低励磁电流利用率。图16给出了定子磁链的峰值带有和不带PM的SHEFS-IFB1机器（1毫米铁通量桥）。当励磁电流改变时从-3.3A到3.3A，定子磁场的变化不带PM的量值为0.0316 Wb，仅为0.0078 Wb与PM一致，这与前面分析的结论相一致。图17显示了定子磁链的峰值SHEFS-IFB1（与PM）。尽管PM通量饱和降低了励磁电流的磁通调节能力，随着铁的增加，这种能力仍然略有增强磁通桥宽度。在具有铁磁桥的串联混合励磁拓扑中，PM磁通短路一直发生，因此PM高利用率高，励磁电流利用率高矛盾。此外，由PM通量引起的饱和会限制了利用率的进一步提高。因此，为了进一步提高励磁电流利用率，避PM的磁短路和退磁，并联混合励磁拓扑基于并联混合励磁方法进行研究[35]，这将分析如下。
- 定子PM的并联混合励磁拓扑机并联式混合励磁定子PM的拓扑结构（PHESPM）机器显示在图。 18和19.可以看到，电激励部分和PM部分位于并联，并且它们的电枢线圈串联连接形成电机的电枢绕组。集中参数磁路模型为PHEFS机器如图20所示，其特点如下：
1）电激励部分和PM部分位于在平行平面上，可以避免退磁PMs的磁性短路。
2）此外，增加铁通量桥的宽度电激励部分将改善激励电流利用率和减少励磁损失。
3）两部分的轴向长度可灵活设计根据要求的扭矩输出能力和流量调节能力。
E.电磁性能比较表1给出了上述机器的参数额定励磁铜损和额定电枢铜损分别设定相等的转数励磁绕组和电枢绕组。
1）磁通调节能力：磁通调节能力ke表示为ke =Phi;pm e-Phi;pm e（4）其中Phi;pm e是每转下的定子磁链最大正激励电流，Phi;pm-e是定子在最大负向激励下每转的磁链当前。
图21显示了通量调节能力。可以看出，PHEFS机器表现出最佳的流量调节能力在相同的激励铜损下。图22给出了HEFS的定子磁链的峰值具有不同励磁电流值的机器。有可能发PHEFS机器具有最广泛的通量调节范围在相同的激励铜损下。
-
电磁转矩：图23给出了不同HEFS电机的电磁转矩。可以看出在SHEFS1，SHEFS-IFB1（1毫米），SHEFSIFB1（2毫米）和PHEFS机器中，SHEFS-IFB1（1毫米）的机器显示最高的输出扭矩能力。但是，PHEFS4机器可以输出更高的扭矩通过正确设计SHEFS-IFB1（1毫米）机器PM部分和电激励部分的轴向长度。3）峰值扭矩能力：图24给出了不同HEFS机器的峰值扭矩能力。 可以看出，其中SHEFS1，SHEFSMIB1-1，SHEFSIB1-2和PHEFS机器，虽然PHEFS具有最佳
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