何佳佳, 周揚忠

(福州大學(xué) 福建省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室,福建 福州 350108)

0 引 言

傳統(tǒng)磁通切換電機(flux-switching permanent magnet motor,FSPMM)具有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度等特點,其永磁體和繞組均放在定子上,結(jié)構(gòu)簡單,且便于散熱冷卻。將無軸承技術(shù)應(yīng)用至FSPMM中,可使其定轉(zhuǎn)子完全隔離,在化工、醫(yī)藥、航天等特殊電氣傳動領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]?；旌蟿畲判蜔o軸承磁通切換電機(bearingless flux-switching hybrid excitation motor,BFSHEM)的定子上同時存在交流電樞繞組和直流勵磁繞組,其電樞繞組電流同時包含轉(zhuǎn)矩分量和懸浮分量,分別控制電機切向旋轉(zhuǎn)和徑向懸浮。通過控制直流勵磁繞組上的電流,可改變電機氣隙磁場,增加了電機的控制自由度并擴寬了電機的應(yīng)用場合[5]。

目前針對無軸承電機的控制大多集中在高速高精度控制技術(shù)[6]、高可靠性及容錯技術(shù)[7]、無傳感器技術(shù)[8-9],對于無軸承電機的損耗最小控制還鮮有報道。無軸承電機的穩(wěn)定運行需要同時控制轉(zhuǎn)矩和懸浮力輸出,與傳統(tǒng)電機的控制上有明顯差異,傳統(tǒng)電機的最小損耗控制無法直接應(yīng)用。此外,BFSHEM的電樞繞組上同時存在轉(zhuǎn)矩電流分量和懸浮電流分量,在實際運行時繞組發(fā)熱量較大,不利于長時間運行。因此,亟需研究相關(guān)損耗最小控制策略。

損耗最小控制(loss minimization control,LMC)的基礎(chǔ)在于可控?fù)p耗模型的建立,然而現(xiàn)有文獻(xiàn)在實現(xiàn)LMC時通常只考慮電機銅耗,忽略了鐵耗的影響,該方案對于BFSHEM這類氣隙磁場諧波含量豐富的電機而言顯然是不足的,因此在實現(xiàn)BFSHEM的LMC前需要對電機鐵耗模型進(jìn)行精確建模。文獻(xiàn)[10]建立了基于鐵磁材料及磁場性能的鐵耗計算模型,模型計算結(jié)果精確,但需要先進(jìn)行復(fù)雜的磁場分析,難以在實際控制系統(tǒng)上實現(xiàn)。建立鐵耗等效電阻模型是目前電機損耗最小控制上常用的一種方法,如文獻(xiàn)[11]利用有限元分析了電機在不同工況下的鐵耗,以此來獲得不同工況下的鐵耗等效電阻,但在不同工況下鐵耗等效電阻變化較大,且精度依賴于電機參數(shù),該方法計算出來的鐵耗結(jié)果準(zhǔn)確度難以保證。目前也有文獻(xiàn)采用數(shù)據(jù)擬合的方式來得到電機的鐵耗模型,如文獻(xiàn)[12]利用有限元仿真及多元多項式擬合來得到電機鐵耗表達(dá)式。但對于多變量的系統(tǒng),多元多項式擬合需要更高階的表達(dá)式才能保證擬合精度,這樣無疑是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

針對無軸承電機領(lǐng)域中LMC相關(guān)文獻(xiàn)的不足,以及所建立的鐵耗模型難以兼顧計算精度和速度等問題,本文以12槽/10極BFSHEM為研究對象,利用有限元計算并通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合得到該電機的鐵耗與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩電流、懸浮電流和勵磁電流間的關(guān)系,完善了電機的可控?fù)p耗模型。在此基礎(chǔ)上,針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中導(dǎo)數(shù)信息難以直接得到的問題,采用廣義模式直接搜尋算法在線求解該類無導(dǎo)數(shù)優(yōu)化問題,得到實現(xiàn)電機最小損耗的電流分配。最后通過仿真及實驗來證明本文所提方法的有效性。

1 BFSHEM的結(jié)構(gòu)及力矩數(shù)學(xué)模型

本文所研究的BFSHEM為12槽/10極結(jié)構(gòu),如圖1所示。其中,沿切向交替充磁的永磁體置于相鄰的兩個U形鐵心中間,電機六相電樞繞組和勵磁繞組均放置在定子上,而轉(zhuǎn)子僅為含有10個齒的鐵心結(jié)構(gòu)。

圖1 混合勵磁型無軸承磁通切換電機橫截面圖Fig.1 Cross section of BFSHEM

BFSHEM共有A～F六相電樞繞組及L相直流電勵磁繞組,其中六相電樞繞組放置在定子槽空間中,直流勵磁繞組則放置在永磁體槽空間中。為了利用繞組的互補性來增加各相繞組反電動勢的正弦度,每相電樞繞組是由空間上軸線相互垂直的兩個線圈串聯(lián)而成。電機六相繞組A～F的電流iA～iF同時含有控制轉(zhuǎn)子切向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩電流iAT～iFT和控制轉(zhuǎn)子徑向懸浮的懸浮電流iAS～iFS,懸浮電流滿足關(guān)系:iAS=iDS=iAD、iBS=iES=iEB、iCS=iFS=iCF。向L相電勵磁繞組通入直流電流IL可生成電勵磁磁勢,借以對電機氣隙磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文將產(chǎn)生磁通方向與永磁體產(chǎn)生磁通同向的勵磁電流定義為正方向,θM為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械角度。定義A1繞組軸線為x軸,超前90°的A2繞組軸線為y軸。

通過T6恒功率變換矩陣[6]可將定子電流分解成兩個機電能量轉(zhuǎn)換平面(轉(zhuǎn)矩平面iαTiβT、懸浮平面iαSiβS)及零序平面,其中機電能量轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)系定義如圖2所示,A～F為六相繞組軸線,θr為電機轉(zhuǎn)子位置角,圖2(a)中αT,βT為轉(zhuǎn)矩平面靜止坐標(biāo)系,dT,qT為轉(zhuǎn)矩平面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,idT和iqT分別為轉(zhuǎn)矩電流矢量iST在dT,qT軸上的投影;圖2(b)中αS,βS為懸浮平面靜止坐標(biāo)系,dS,qS為懸浮平面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,idS和iqS分別為懸浮電流矢量iSS在dS,qS軸上的投影,FSS為對應(yīng)iSS生成的懸浮力矢量,φs的定義在下文給出。

圖2 BFSHEM坐標(biāo)系定義Fig.2 Coordinate system definition of BFSHEM

基于該機電能量轉(zhuǎn)換平面,文獻(xiàn)[5]給出了BFSHEM的力矩數(shù)學(xué)模型,但考慮BFSHEM的凸極效應(yīng)不強,在控制上常將其認(rèn)為是隱極機(即Ld≈Lq)[6],并在控制上令idT=0,故得到BFSHEM的簡化力矩模型如下:

1)BFSHEM可控懸浮力x、y分量Fx、Fy模型:

(1)

式中:Kpm、KqT分別為單位懸浮電流在永磁體及單位iqT建立的磁場下產(chǎn)生的懸浮力基波分量幅值;KL為僅單位勵磁電流激勵與僅永磁體激勵下的氣隙磁密幅值之比;φs=tan-1(KqTiqT/(1+KLIL)Kpm)為qT軸電流分量與永磁體磁場產(chǎn)生的懸浮力的相位差。以上系數(shù)均可在有限元仿真中得到[13]。從式(1)中進(jìn)一步得到可控懸浮力與懸浮電流矢量幅值關(guān)系如下:

(2)

式中:

(3)

(4)

后續(xù)分析中,懸浮電流特指懸浮電流矢量iSS。

2)BFSHEM電磁轉(zhuǎn)矩Te模型:

(5)

式中:p為電機極對數(shù);ψpm為永磁體匝鏈電樞繞組的磁鏈幅值;Ld、Lq分別為直軸和交軸電感;MSL為勵磁繞組與電樞繞組的互感。

基于上述力矩數(shù)學(xué)模型,可建立BFSHEM的相關(guān)控制策略。此外,力矩數(shù)學(xué)模型中令I(lǐng)L=0即為永磁型無軸承磁通切換電機的力矩數(shù)學(xué)模型,可以發(fā)現(xiàn),對于永磁型無軸承磁通切換電機,在力矩輸出確定的情況下,有唯一確定的轉(zhuǎn)矩電流及懸浮電流輸出,電機控制上無法實現(xiàn)電流分配多樣化。而勵磁電流的引入打破了這一現(xiàn)狀,使得BFSHEM能夠輸出不同的電流組合來實現(xiàn)相同負(fù)載需求的力矩輸出。

2 BFSHEM的損耗分析及建模

BFSHEM中可控?fù)p耗主要有銅耗和鐵耗,其銅耗主要為電機繞組上產(chǎn)生的熱損耗,可由下式計算:

(6)

其中六相電樞繞組電流iA～iF的平方和同樣可經(jīng)T6恒功率變換矩陣變換至轉(zhuǎn)矩平面電流idT,iqT、懸浮平面電流iSS及零序平面電流io1,io2的平方之和,變換系數(shù)為3?？紤]到在控制上令idT,io1,io2為0,則式(6)可進(jìn)一步簡化為:

(7)

傳統(tǒng)控制策略認(rèn)為在電機總損耗中銅耗占比要遠(yuǎn)大于鐵耗,并且受制于鐵耗建模過程復(fù)雜及模型結(jié)果精度不足而難以反映實際的問題,通常忽略電機鐵耗,僅對于一些高速電機作特殊分析。然而對于BFSHEM而言,由于影響其內(nèi)部磁場的因素較多,且轉(zhuǎn)子極數(shù)較高使得磁場變化頻率也高,即使低速也將可能會有較大的鐵耗占比,故BFSHEM的損耗最小控制中不可忽視鐵耗成分,且有必要針對全速度域下的電機鐵耗進(jìn)行建模。

電機鐵耗主要和電機內(nèi)部磁場的變化情況有關(guān),而在電機控制上能夠改變電機內(nèi)部磁場的主要有轉(zhuǎn)速n、勵磁電流IL、轉(zhuǎn)矩電流iqT和懸浮電流iSS,且這四個變量在控制上相互獨立,對電機內(nèi)部磁場的影響也完全不同,因此可作為鐵耗模型的影響變量進(jìn)行分析。

為了精確分析電機鐵耗與這些變量的關(guān)系,本文利用ANSYS/Maxwell有限元仿真軟件來獲得初始數(shù)據(jù)樣本,該方法基于式(8)的Bertotti經(jīng)典鐵耗模型,并同時考慮到高次諧波、旋轉(zhuǎn)磁化以及集膚效應(yīng)等對電機鐵耗的影響,在不同電機磁場情況下均能獲得與實際測量值接近的電機鐵耗值[14],因此適用于獲取不同轉(zhuǎn)速n、勵磁電流IL、轉(zhuǎn)矩電流iqT和懸浮電流iSS下的電機鐵耗初始樣本,即

(8)

式中:pFe為單位質(zhì)量鐵耗;ph,pc,pe分別為磁滯、渦流和附加損耗;kh,α為磁滯損耗系數(shù);kc為渦流損耗系數(shù);ke為附加損耗系數(shù),以上4個系數(shù)均可從硅鋼片B-P曲線及參數(shù)中獲取;f為磁場頻率;Bm為磁密幅值。

圖3(a)為轉(zhuǎn)矩電流和懸浮電流均為0時,電機鐵耗與轉(zhuǎn)速、勵磁電流的關(guān)系圖,圖3(b)為轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,勵磁電流為0時,電機鐵耗和轉(zhuǎn)矩電流、懸浮電流的關(guān)系圖?？梢婋姍C鐵耗與轉(zhuǎn)速、勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流及懸浮電流高度耦合,給BFSHEM鐵耗建模帶來困難。同時根據(jù)圖3(a)可以看到,電機鐵耗與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系,而由式(7),轉(zhuǎn)速升高幾乎不影響電機銅耗,因此可以預(yù)見隨著轉(zhuǎn)速升高,電機總損耗中鐵耗占比將越來越大,若只考慮銅耗最小則會限制電機高速運行時的效率。故不可忽視電機鐵耗成分。

圖3 不同控制量下電機鐵耗的變化情況Fig.3 Changes of iron loss under different control amounts

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)擬合中常用的一種工具,可實現(xiàn)系統(tǒng)輸入到輸出的映射功能,且具有較強的非線性映射能力,這使得其特別適合于一些內(nèi)部機制復(fù)雜的系統(tǒng)。此外,已有數(shù)學(xué)理論證明三層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便可以較高的精度來逼近任何非線性連續(xù)函數(shù),兼顧了擬合精度和求解速度。因此,為構(gòu)建BFSHEM的精確鐵耗模型,本文基于有限元仿真計算數(shù)據(jù),采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的方法來構(gòu)建鐵耗與上述4個變量間的映射關(guān)系。

本文采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示,其中輸入層共4個神經(jīng)元,分別代表轉(zhuǎn)速、勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流及懸浮電流,輸出層則為一個代表電機鐵耗的神經(jīng)元。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合精度通常與隱含層的神經(jīng)元個數(shù)成正相關(guān)關(guān)系,然而隱含層神經(jīng)元個數(shù)過多也將導(dǎo)致擬合結(jié)果過擬合并增加模型的計算時間,需要根據(jù)實際情況整定,本文采用3個隱含層神經(jīng)元,訓(xùn)練函數(shù)則采用貝葉斯正則化算法。圖5為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體的擬合效果,可見利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合能夠使鐵耗模型最終的均方誤差穩(wěn)定在0.01以下,解決了BFSHEM鐵耗模型中影響變量較多且與電機鐵耗耦合程度強的問題,適用于后續(xù)的損耗最小控制。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的鐵耗模型Fig.4 Core loss model of BP neural networks

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合結(jié)果Fig.5 Fitting result of BP neural networks

基于圖4給出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的鐵耗模型和式(7)給出的電機銅耗表達(dá)式即可構(gòu)建BFSHEM的可控?fù)p耗模型。此外,由前文給出的BFSHEM力矩數(shù)學(xué)模型可知,在電機運行工況確定的情況下,對于每一個勵磁電流IL都將會有一個與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流iqT和懸浮電流iSS,故BFSHEM損耗最小控制本質(zhì)上是對不同工況下的電機選取使之總損耗最小的最優(yōu)勵磁電流,因此下文給出兩種典型工況下勵磁電流和BFSHEM損耗關(guān)系圖。

在給定轉(zhuǎn)矩小于永磁轉(zhuǎn)矩的情況下,對于BFSHEM的傳統(tǒng)協(xié)同控制,通常不注入勵磁電流即令I(lǐng)L=0,此時電機總損耗處于圖6中總損耗曲線的0點;對于BFSHEM的最小銅耗控制,將選擇銅耗曲線中最小值點對應(yīng)的勵磁電流進(jìn)行輸出,此時電機總損耗處于圖6總損耗曲線的B點。圖6中A點則為損耗最小控制下的BFSHEM運行損耗點。

圖6 兩種典型工況下的損耗與勵磁電流關(guān)系圖Fig.6 Loss vs. excitation current under typical conditions

圖6(a)為轉(zhuǎn)速1 500 r/min、切向負(fù)載2 N·m、徑向負(fù)載100 N時的損耗與勵磁電流關(guān)系曲線,該工況下銅耗與鐵耗的數(shù)值接近。圖中0點為(0,58.89),A點為(0.15,58.50),B點為(0.3,59.91)。對比0點和B點可見當(dāng)銅耗和鐵耗數(shù)值接近時,僅考慮銅耗最小不僅可能不會減小系統(tǒng)的總損耗,反而可能增大系統(tǒng)的總損耗。對比0點和A點,盡管該工況下考慮總損耗最小對于系統(tǒng)總損耗降低數(shù)額不大,僅有0.66%,但與B點相比,其意義在于能夠有效權(quán)衡鐵耗與銅耗的占比,防止鐵耗過渡增長而導(dǎo)致的系統(tǒng)總損耗增加。圖6(b)為轉(zhuǎn)速150 r/min、切向負(fù)載4 N·m、徑向負(fù)載250 N時的損耗與勵磁電流關(guān)系曲線,該工況下銅耗占比遠(yuǎn)大于鐵耗。圖中0點為(0,155.43),A點為(0.96,136.13),B點為(0.97,136.14)。該工況下A點和B點接近,考慮總損耗最小與僅考慮銅耗最小的效果相近,對比A點和0點,損耗最小控制可降低電機12.41%的總損耗。

3 BFSHEM損耗模型的求解

盡管BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合出來的鐵耗模型具有十分高的精度,但其具體數(shù)學(xué)表達(dá)式及梯度信息卻難以直接得到。對于神經(jīng)元個數(shù)較少的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可采用提取權(quán)值、閾值等參數(shù)的方法來獲得具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式[15],然而該方法對于BFSHEM的鐵耗模型這類神經(jīng)元個數(shù)較多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言,將會大大增加控制系統(tǒng)的計算成本,并影響到系統(tǒng)的瞬態(tài)控制效果,因此本文把BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合出來的鐵耗模型視為一個“黑匣子”,僅能根據(jù)輸入得到對應(yīng)的輸出,把損耗最小模型的求解問題視為“無導(dǎo)數(shù)優(yōu)化問題”。

廣義模式搜索算法是目前較為常用的無導(dǎo)數(shù)優(yōu)化算法之一,具有構(gòu)思直觀、易于編程實現(xiàn)的特點,并且能有效收斂到全局最優(yōu)解,在實際工程中得到廣泛應(yīng)用[16-17]。其基本框架如下:

1)初始化:確定初始點、搜尋方向及初始步長等;

2)試探搜索:對第k(k=0,1,2,…)次迭代,以當(dāng)前迭代點為中心,以λk為步長,計算下一迭代點處的模型輸出值,并判斷該值是否為最優(yōu)解,若是則更新最優(yōu)解,反之保留上一次迭代點為最優(yōu)解;

3)步長更新:根據(jù)前后兩次迭代的模型輸出值相應(yīng)地更新步長,同時重新確定搜索方向。

廣義模式搜索算法應(yīng)用的關(guān)鍵在于步長的更新上,本文結(jié)合梯度下降法的思想,提出一種適用于本文研究的步長更新規(guī)則:在迭代點需要更新的情況下,利用當(dāng)前迭代點的差分值來代替梯度值,并預(yù)測下一迭代點所需的步長;若迭代點沒有更新,則將步長縮小為原來的二分之一,繼續(xù)迭代循環(huán), 直至搜索步長小于最小步長,最終獲得損耗模型的最優(yōu)解。具體流程框架如圖7所示。其中,變步長加速因子λ的取值影響算法的收斂速度與容錯率,加速因子減小能夠提高算法的容錯率,反之則可加快算法的計算速度,但加速因子不應(yīng)過大以至于抵消掉步長縮小的效果，故加速因子的取值范圍應(yīng)為1～2,本文取2。

圖7 BFSHEM損耗最小算法流程框圖Fig.7 Process block diagram of BFSHEM LMC

4 仿真研究

為驗證本文所提出的損耗最小控制策略的可行性,構(gòu)建BFSHEM損耗最小驅(qū)動控制策略結(jié)構(gòu)如圖8所示,其中BFSHEM電機具體電磁參數(shù)如表1所示。

表1 BFSHEM電磁參數(shù)Table 1 Parameters of BFSHEM

圖8 混合勵磁型無軸承磁通切換電機損耗最小控制框圖Fig.8 Block diagram of LMC for BFSHEM

圖9為轉(zhuǎn)速1 000 r/min,切向負(fù)載2 N·m,徑向負(fù)載100 N時的仿真研究情況,此時銅耗與鐵耗數(shù)值接近。在1.5 s時由傳統(tǒng)控制切換至損耗最小算法,由圖9結(jié)果可知:1)廣義模式搜索算法能夠在短時間內(nèi)確定系統(tǒng)的最優(yōu)電流分配,在該工況下?lián)p耗最小算法幾乎不影響系統(tǒng)的動態(tài)性能; 2)隨著勵磁電流的加入,可使懸浮電流和轉(zhuǎn)矩電流相應(yīng)地減少,減輕電樞繞組上的散熱壓力; 3)算法切換前后,總損耗從62.22 W降低至61.86 W,降低了0.57%,銅耗減小而鐵耗有所增加,該結(jié)果與前文分析結(jié)果相同?？梢娫摴r下,BFSHEM的損耗最小算法的主要作用在于權(quán)衡系統(tǒng)銅耗和鐵耗的占比來實現(xiàn)系統(tǒng)損耗最小,以及減少電樞電流來防止電樞繞組過熱。

圖9 高速輕載下的損耗最小控制仿真研究情況Fig.9 Simulation of LMC in high speed and light load

圖10為轉(zhuǎn)速150 r/min,切向負(fù)載4 N·m,徑向負(fù)載250 N時的仿真研究情況,此時系統(tǒng)銅耗遠(yuǎn)大于鐵耗。

圖10 低速重載下的損耗最小控制仿真研究情況Fig.10 Simulation of LMC in low speed and heavy load

由圖10結(jié)果可知:1)在該工況下?lián)p耗最小算法選擇的最優(yōu)勵磁電流為0.96 A,算法切換前后,系統(tǒng)總損耗從156.7 W降低至137.5 W,降低了12.25%左右,該結(jié)果與前文分析結(jié)果相近;2)在該工況下,損耗最小算法主要針對系統(tǒng)銅耗進(jìn)行調(diào)控,系統(tǒng)總損耗降低幅度與銅耗降低幅度基本一致,而系統(tǒng)鐵耗由于數(shù)值較銅耗過小,幾乎被忽略。

5 實驗驗證

為進(jìn)一步驗證本文所提出的BFSHEM損耗最小控制策略的可行性,制做電機在兩種典型工況下,控制策略由不考慮損耗的傳統(tǒng)控制切換至損耗最小控制的樣機實驗。其中實驗平臺如圖11所示。

圖11 BFSHEM樣機實驗平臺Fig.11 Prototype unit of BFSHEM and experimental platform

該實驗平臺主要由一臺BFSHEM樣機機組、驅(qū)動電路板和控制電路板組成。其中BFSHEM通過彈性聯(lián)軸器與一臺直流電機連接,并使用磁粉制動器作為其負(fù)載;驅(qū)動電路板使用兩個三相逆變橋作為六相電樞繞組的供電,以及一個單相H橋作為勵磁繞組的供電;控制電路板主要為數(shù)字控制芯片TMS320F2812及其外圍采樣檢測電路。

圖12為電機轉(zhuǎn)速1 000 r/min,切向負(fù)載為2 N·m,徑向空載(即轉(zhuǎn)子徑向僅承受約80 N的轉(zhuǎn)子重力)時的損耗及電流波形,此時銅耗與鐵耗數(shù)值接近。由結(jié)果可知:1)該工況下電機銅耗從29.27 W左右降低至27.36 W左右,鐵耗從27.71 W增加至29.09 W,系統(tǒng)總損耗無明顯降低,與仿真結(jié)果接近;2)選定最優(yōu)勵磁電流為0.13 A左右,轉(zhuǎn)矩電流和懸浮電流都略有降低,可知隨著勵磁電流的加入可有效降低轉(zhuǎn)矩電流的幅值,減輕電樞繞組散熱壓力;3)在控制切換前后,受限于電流控制器的響應(yīng)速度及電機運行過程的機械擾動,電流將會出現(xiàn)波動,并在短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。

圖12 高速輕載下的損耗最小控制實驗研究情況Fig.12 Experiment of LMC in high speed and light load

圖13為電機轉(zhuǎn)速150 r/min,切向負(fù)載為4 N·m,徑向空載時的損耗及電流波形,此時銅耗遠(yuǎn)大于鐵耗。由結(jié)果可知:1)該工況下?lián)p耗最小控制可有效減小系統(tǒng)損耗,銅耗從63.2 W降低至55.6 W左右,鐵耗從5.92 W增加至6.4 W左右,系統(tǒng)總損耗平均值從69.12 W降低至62 W,降低了7.12 W,約10.3%左右;2)選定最優(yōu)勵磁電流為0.55 A,此時轉(zhuǎn)矩電流從7.825 A降低至6.684 A,qS軸懸浮電流幅值從3.6 A降低至3.2 A左右,但dS軸懸浮電流略有增加,這是由于對于無軸承電機而言,轉(zhuǎn)子除受自身重力及外界徑向負(fù)載力之外,還會受到與電機氣隙磁密和轉(zhuǎn)子偏心距離有關(guān)的單邊磁拉力。在勵磁電流增大后,電機所受單邊磁拉力也會增大,等價于電機所受徑向負(fù)載力增加,從而導(dǎo)致所需懸浮電流增加。

圖13 低速重載下的損耗最小控制實驗研究情況Fig.13 Experiment of LMC in low speed and heavy load

圖14為電機在不同工況實驗下,分別進(jìn)行傳統(tǒng)控制和損耗最小控制時的總損耗對比,其中電機徑向始終保持空載。

圖14 不同工況下總損耗對比(傳統(tǒng)控制和損耗最小控制)Fig.14 Comparison of total loss under different operating conditions(traditional control and LMC)

由圖中數(shù)據(jù)可知:1)隨著轉(zhuǎn)矩的增加,LMC相較于傳統(tǒng)控制的優(yōu)勢更加明顯,可有效減少電機總損耗; 2)轉(zhuǎn)速提升將會增加電機鐵耗,從而導(dǎo)致電機總損耗增加。LMC可有效抑制電機鐵耗增加,使得電機總損耗一直處于最小值。

6 結(jié) 論

本文針對一臺12/10單繞組BFSHEM電機,通過分析它的力矩模型及損耗模型,構(gòu)建出以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),以廣義模式搜尋算法為架構(gòu)的BFSHEM損耗最小控制系統(tǒng)。由仿真及實驗研究可以驗證該損耗最小控制的可行性及實用性,擴展了無軸承電機領(lǐng)域中關(guān)于損耗控制的研究。主要結(jié)論有:1)損耗最小控制對于不同鐵耗占比工況有著不同的作用。在鐵耗占比較大時,該控制主要承擔(dān)抑制鐵耗過度增長的作用以實現(xiàn)系統(tǒng)總損耗最小,可降低約0.93%左右;在鐵耗占比可忽略的情況下則主要控制系統(tǒng)銅耗來減小系統(tǒng)總損耗,可降低10.3%左右;2)在工況確定時,該損耗最小控制可通過增加勵磁電流來減小所需的電樞電流,減輕電樞繞組上的散熱負(fù)擔(dān),可降低1.2 A的電樞電流輸出。