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摘要：随着电动汽车的发展，轴向磁通电机（Axial Field Flux-Switching Permanent Magnet，AFFSPM）因其高比功率和高转矩密度的优点，受到广大汽车主机厂的认可。
关键词：轴向磁通电机控制方法
引言
随着高性能永磁材料的出现，永磁同步电机也在快速地发展。在永磁同步电机中，轴向磁通电机（以下简称AFFSPM）以其高功率密度、高转矩密度、高效率以及高集成度的特点使其能在电动汽车、风力发电、轮船驱动、心脏泵等方面得到极大的应用。尽管AFFSPM技术目前已经得到广泛的研究，然而在当前的研究中，工业实际应用与AFFSPM设计分析之间仍然存在一些关键问题尚待解决。
1电机结构和磁场调节机理
1.1电机结构
定子铁心由12个H形单元定子铁心拼装而成，中间嵌入12块切向交替充磁的永磁体，由隔磁环将其分为磁路相互独立的内外两部分；电枢绕组周向分布在由永磁块和励磁支架隔开的相邻定子槽中；盘式转子由转子极和转子磁轭组成；励磁绕组轴向缠绕在励磁支架上，电机内磁场呈轴向分布，为一种无刷交流电机。
1.2磁场调节机理
根据磁路磁阻最小的原理，绝大部分磁通由N极出发，经H形单元定子铁心、气隙、转子齿、转子磁轭、相邻转子齿、气隙、相邻的H形单元定子铁心，再回到S极；其中单箭头所指路径为永磁磁通回路，双箭头所指路径为电励磁磁通回路。当励磁磁通与永磁磁通路径相同时，电机工作在增磁状态，气隙磁通
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、永磁磁通
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和电励磁磁通三者之间的关系为：
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；当励磁磁通路径与永磁磁通相反时，电机工作在弱磁状态：
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。因此通过调节励磁电流，可实现磁场的灵活调节。
2电机导热系数的确定
本文研究的轴向磁通电机较径向电机具有更高的功率密度，整个系统的结构由定子、转子和控制器组成。本文的定子绕组采用散下线方式，导线径细，排列无规则，而且槽内填充材料较多，使其实体建模非常困难，需要对定子绕组进行等效处理。其简化方法是将定子绕组中的空气、绝缘漆、导热胶等绝缘材料等效成一个实体。考虑到这些材料导热系数很小，距离难以测量，但对电机温度计算的准确程度却有着关键性的作用，因此必须核算该实体的导热系数。另外轴向磁通电机定子铁心叠片是卷绕而成，叠片间除了空气外，还存在漆膜，虽然这些绝缘材料所占比例较小，但导热性能差，热阻比重大，影响电机的散热效果，使铁心叠片各向导热性能相差较大。根据以上几方面所述，需要结合实测数据对电机导热系数进行推算，掌握其取值规律。A为合成绝缘，B为导热胶，C为定子铁心，c1为平行卷制方向，c2为垂直卷制方向。合成绝缘导热系数为0．35W/（m·K），导热胶导热系数为0．9W/（m·K），定子铁心导热系数为30W/（m·K）和4．5W/（m·K）时，测试点对应下的温升误差最小，与实测值最接近。
3轴向磁通电机控制方法
非AFFSPM数学模型的控制方式结构简单，运行速度较快。相比基于AFFSPM电机数学模型的控制方式而言，具有占用系统负载率较低的优点，但也存在转矩输出波动不平稳和电流较大的情况。主要以传统斩波控制方案、DTC方案和MTPC方案这3个控制方案进行介绍。
3.1传统斩波控制方案
传统斩波控制方案主要有电流斩波、电压斩波和角度位置斩波3种。
（1）电流斩波控制
电流斩波控制为电机传统控制方式，常用于电机启动阶段或者电机转速较低时，此时反电势较小，电流变化较大，电流上升速度快，很可能破坏功率器件，为保证电流峰值在安全值范围之内。控制方案的优点适用于电机在低速运行时，对电流峰值的增长起到了很好的限制作用，电机输出转矩比较平稳。
（2）电压斩波控制
电压斩波控制是固定开关的通断时间，调整斩波的占空比，从而改变相电压和相电流。
（3）角度位置斩波控制
角度位置斩波控制是指在电机高速运行时，电流的上升速率较低，电流幅值与电流变化率比低速运行时小，此时可通过角度位置来控制开通关断时刻，进而改变开关的导通时间来控制电机运行。电流幅值的峰值、有效值以及电流波形与电感波形的相对位置都可以通过改变开通角和关断角来调整。目前，在汽车电机控制器中，已经较少应用以上3种传统斩波方案。
3.2DTC方案
通过对电机结构、参数和材料进行优化设计，一种基于电机定子磁链跟随的控制策略。使电机在低转速和高转速都有较好的转矩表现。针对传统的AFFSPM存在加工困难、互感严重的问题，提出了一种定子模块式AFFSPM。应用磁链计算模块和转矩计算模块得到磁链估计值和转矩估计值，并分别以参考转矩和参考磁链进行闭环控制，将闭环值输出给开关状态选择模块，实现整个DTC控制的闭环。同时，AFFSPM电机的结构特点，推导了该电机旋转坐标系下的数学模型，并采用矢量控制对模块式AFFSPM电机的静态、动态、及低速运行等性能进行了仿真研究。仿真结果表明，相比直接转矩控制，采用矢量控制的新型定子模块式AFFSPM电机系统具有转矩脉动较小、低速性能优越的特点，更适合用在该新型电机的变频调速控制系统中。
3.3MTPC方案
在电机的结构特征和数学模型基础上，针对三相四桥臂容错逆变器拓扑，基于恒磁动势和铜耗最小原则，分别对模型预测转矩控制和直接转矩控制下的电机容错控制系统进行仿真研究。仿真结果表明，电机单相开路故障容错后，2种控制方法均可在降低铜耗的情况下维持电机转矩、磁链基本不变，保证系统稳定运行。相比于直接转矩控制，采用模型预测转矩控制的电机容错控制系统具有较小的转矩和磁链脉动，主要根据DTC在线查表的控制方式，预测每个采样周期的转矩和磁链，应用价值函数来选择最优电压矢量，即应用价值函数值最小对应的电压矢量来控制逆变器IGBT通断。该结构算法简单，可明显降低转矩波动和磁链波动，提高电机的响应性能，更适合用在电动汽车的电机调速控制系统中。
结语
非AFFSPM数学模型不需依靠坐标变换的复杂结构，优点是占用芯片内存较少，只需根据电机转矩估算和磁链估算信号，与目标值进行闭环，达到控制目的。不足是电机转矩波动较大，电流波动带宽较大，适用于家用空调电器等场合。未来轴向磁通电机控制趋向于容错控制方向发展，可提高轴向磁通电机工作的稳定性和可靠性。
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