永磁式开关磁阻电机在电力推进中的应用研究

罗 磊，胡 旭

应用研究

永磁式开关磁阻电机在电力推进中的应用研究

罗 磊1，胡 旭2

（1. 海装驻武汉地区第六军事代表室，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

新型永磁式开关磁阻电机在保留传统开关磁阻电机优点的同时克服换流相对较慢、能量利用率较低等缺点，本文在此基础上针对永磁式开关磁阻电机的特点提出了一种基于PMSRM的船舶电力推进系统，该系统采用模糊PI的控制方法。通过Simulink仿真建模，验证了该系统具有跟踪速度快、控制精度高的性能。

永磁式开关磁阻电机 船舶电力推进 模糊PI控制方法

0 引言

近年来，随着大功率电动机变频调速技术的不断进步，全电力推进船舶凭借其灵活的空间布局、安静高效的机动性能、更低的燃油消耗率，成为现代船舶推进技术的重要发展方向。目前应用于船舶电力推进的电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机。开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种基于定转子具有可变磁导原理回路设计的电动机，采用双凸极结构，仅定子上有集中绕组。传统SRM的转子上既无绕组也无永磁体，与其它电机相比具有以下特点：1）结构简单坚固，能适用于恶劣环境；2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；3）效率高，起动转矩大，调速范围宽，低速性能好。现如今，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动汽车、纺织机械和家用电器等各个领域，功率范围从10 W到5 MW，最大速度高达100,000 r/min。

1 传统SRM在船舶电力推进应用中存在的问题

由于开关磁阻电机的结构特点，传统的SRM在船舶电力推进系统中的推广应用存在以下问题：

1）SRM采用双凸极结构，其转矩输出与电流方向无关，仅与相绕组的电感变化率有关，转矩仅在电感增加区域产生，一个工作周期中绕组最多只能导通半个周期，导致电机绕组利用率较低，限制了SRM的出力能力。

2）大功率电机的最大电感通常设计较大，而绕组换流一般发生在最大电感区附近。功率开关管长期在大电感下关断容易导致其故障率上升，随着电机功率提高该问题尤为突出。

3）SRM工作在脉冲供电方式中，瞬时转矩脉动大，转速很低时，步进状态明显，而且由于其本身的非线性，导致转矩控制困难。

4）SRM实质上属于单励电机，由于绕组的电流中有一部分激磁分量，励磁损耗不仅影响能量利用率，还会额外增加电机及功率变换器的容量。

随着稀土永磁材料的研究和发展，引入永久磁钢的新型开关磁阻电机不断涌现，这类电机在保留传统SRM优点的同时克服换流相对较慢、能量利用率较低等缺点，增加了电机的转矩密度。在此基础上，本文提出了一种基于永磁式开关磁阻电机（PMSRM）的电力推进系统，下面将详细论述其系统结构及控制方法。

2 一种基于PMSRM的电力推进系统

1）系统总体结构设计

基于PMSRM的电力推进系统主要由永磁式开关磁阻电机、功率变换器、控制器、电流传感器和位置传感器构成。

图1 PMSRM电力推进系统结构框图

该系统为双闭环调速，采用电流斩波控制方法，转速环作为外环使PMSRM的转速能够精准快速地跟随速度给定，电流环作为内环主要在电机启动和低速运行时抑制电流峰值不超过允许范围，同时确保电机产生平稳的电磁转矩。

2）速度控制器的设计

由于PMSRM具有良好的动态性能，因此速度控制器采用PI控制。数学表达式如下：

PI控制作为工程中最常用的一种控制方式，能够有效的实现电机转速的快速响应，但比例积分系数的整定是实现PI速度控制器精确稳定的关键所在。为了更好地控制PMSRM，可采用分层控制，在不同的速度区设置不同的PI参数。

3）模糊PI控制

表1 模糊语言表

表2 隶属度表格

3 Simulink仿真验证

本文通过Simulink建模对该系统的可行性进行验证，分别建立了永磁式开关磁阻电机的模型以及模糊PI控制方法模型，模型如下：

图2 模糊PI控制模型

图3 永磁式开关磁阻电机单相绕组模型

仿真结果如图4所示。

图4 PMSRM单相电流波形

图5 PMSRM转速波形

通过仿真波形可以看出，相电流波形比较理想，转速上升过程比较平滑。电机各相电流相互叠加，从而降低转矩脉动。试验结果证明了该电力推进系统的有效性。

4 结束语

永磁式开关磁阻电机保留了传统开关磁阻电机的双凸极结构和集中绕组的形式，在具备传统开关磁阻电机优势的同时还具有永磁电机高转矩密度和高运行效率的优点。但开关磁阻电机固有的转矩脉动大、振动噪声等问题依然存在，这是限制其推广的主要瓶颈。随着对减噪减振、转矩脉动抑制和无位置传感器等方向的进一步研究，基于新型永磁式开关磁阻电机的电力推进系统将在航海领域具有广阔的应用前景。

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Application study of permanent magnet switched reluctance motor in electric propulsion

Luo Lei1, Hu Xu2

(1. Naval Representative Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM352

A

1003-4862（2022）01-0056-03

2021-06-28

罗磊（1987-），男，工程师，主要从事武器装备质量监督工作，专业方向电气工程与自动化。Email：451024834@qq.com