0 引言

我国海洋工业的进步以及海上活动的日益频繁，使得船舶工业迎来迅速的发展。船舶技术尤其是船舶综合电力系统的发展是提高我国海上活动以及国防事业的重要方向，在当前对船舶要求提高的严峻形势下研究新型电力推进系统已经迫在眉睫^[1]。

船舶使用的电力推进系统是直接使用电动机带动螺旋桨实现船舶推进。由于电力系统具有无污染、布置灵活、易于控制等特点，在船舶推进中得到广泛使用。但是由于当前电力存储设备的落后，存储大容量电能仍需要消耗很大的体积。船舶本身内部空间有限，因此对电机推进的高功率密度和高转矩密度提出了更高要求。

传统的磁感转动式电机已经无法满足当前船舶推进系统的要求，而相比之下永磁同步电动机不需要激励电流，可以极大的提高电能的利用效率。此外，该电机体积小，功率因数高，满足船舶对推进系统的要求，可以极大提高推进电机的功率密度^[2]。

在永磁电机中，主要有盘式永磁电动机、高温超导电机以及横向磁场永磁电机等。其中盘式永磁电机又称轴向磁场电机，主要的原理是定子有效导体径向分布，转子为圆盘形，对等分布在电机中。其主要特点是轴向尺寸较短、体积小，由于其功率有限，适用于小型机械或船舶的推进系统。高温超导电机的特点在于，其转子使用高温超导材料作为激励线圈，而定子使用低电阻率的铜线材质。由于该电机在工作状态时导电效率高，发热表现优秀，具有耐高温、转化率高等优点。横向磁场永磁推进电机是一种最新的电机拓扑结构，由于其满足船舶对体积、功率及转化率的要求，因此在船舶推进系统中被广泛应用。

1 横向磁场永磁推动电机 1.1 横向磁场永磁推动电机及其转子结构

与传统的径向磁场电机不同，横向磁场永磁推动电机的结构如图 1所示^[3]。该结构主要采用的是双层双定子，其中上下2层是铁芯材质的定子，在2层定子间交错放置2个转子；2个转子通过缠绕线圈固定于定子间的凹槽中，形成了聚合转子。当定子线圈通电时，可以在转子四周形成定向横向磁场，对转子形成作用力，最终输出稳定的推动力。

根据横向磁场永磁电机的结构特性，可以知道其具有以下特点^[4]：

1）磁路解耦。在横向磁场永磁电机中，每一相电机之间是相互独立的，不会存在各相电路之间的耦合关系。并且每一相电路是独立缠绕的，每个缠绕线组之间的电学及热学特性是相互独立的，可以分别进行线圈冷却处理。

2）结构模块化。由于在该电机结构中每项电路及机械结构是相同且相互独立，因此可以对该电机结构进行动态模块化配置，通过增加转子模块数量来加大输出功率和减少转矩脉动，也增加电机的极数来减少转矩脉动。

3）高转矩密度。横向磁场永磁电机的电磁力为：

$ {{F = }}{{\rm{B}}_\delta }Il \text{，} $

(1)

电磁转矩为：

$ T = F\frac{D}{2} = {{\rm{B}}_\delta }Il\frac{D}{2} \text{，} $

(2)

为了定义电机的转矩密度，设T_d 为单位气流的电磁转矩，则有：

$ {{{T}}_d} = \frac{T}{{{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }} Dl}} = \frac{{{{{B}}_\delta }I}}{{2 \text{ }\!\!\pi\!\!\text{ } }} \text{，} $

(3)

最终可以得到：

$ {{{T}}_d} = \frac{1}{{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ } }}\frac{{{b_t}}}{b}{B_t}JS \text{。} $

(4)

其中t为电机定子齿距，b_t 为定子齿宽；B_t 为齿部磁密；S为槽面积；J为电流密度。

1.2 横向磁场永磁推动电机的数学模型

横向磁场永磁推动电机中的每一相都是相对独立的，因此整个电机可以抽象为每一相的叠加效应^[5]。首先可以得到单相的电压方程：

$ {u_k} = {i_k}{R_k} + \frac{{\text{d}{\psi _k}}}{{\text{d}t}} \text{，} $

(5)

由于横向磁场永磁推动机内部各相之间不存在耦合，所以每相磁链只由对应的转子及电枢磁链合成：

$ {\psi _k} = {L_k}{i_k} + {\psi _{kf}} \text{，} $

(6)

代入电压方程得到：

$ {u_k} = {i_k}{R_k} + {L_k}\frac{{\text{d}{i_k}}}{{\text{d}t}} + \frac{{\text{d}{\psi _{kf}}}}{{\text{d}t}} \text{。} $

(7)

其中u_k ，R_k ，Ψ_k ，L_k ，Ψ_kf 分别为每相电压、每相定子等效电阻、每相定子磁链、每相定子电感和转子磁链。由以上方程可以得到横向磁场永磁推进电机的每相等效电路图，如图 2所示。

2 直接转矩控制器设计 2.1 直接转矩控制原理

横向磁场推导得到横向磁场永磁推进电机中电压电流和磁场分布采用的坐标轴如图 3所示^[6]。其中a定义在定子第一相静止绕组上，α，β为两相静止坐标，d，q为两相转子的旋转坐标系，x，y为两相定子同步旋转坐标系，Ψ_k 为定子磁链，Ψ_s 为转子磁链。通过上述的坐标系可以得到横向磁场的转子磁链恒定，当保持转子磁链恒定时，转矩仅与永磁电机的转矩角度相关。

2.2 控制系统硬件电路及软件系统设计

横向磁场永磁推进电机的直接转矩控制器的硬件电路结构图如图 4所示。由图可得，该系统的主要模块包括DSP芯片、外围接口电路、保护电路、功率驱动、电机的直流电压和电机位置检测电路等。

其中DSP芯片通过片内中断端口和其他外围设备实现对电机的高精度控制。外围接口电路主要包括晶振、外部存储扩展等电路，其主要功能是为DSP及其它控制芯片提供快速准确的信号处理。电流信号检测单元是对采集的模拟信号进行检测，并通过A/D转换单元将电流信号转换为DSP芯片及控制芯片可识别的数字信号。直流母线电压检测使用的是高精度电压传感器，通过霍尔电压传感器，对检测到的电流及电压信号进行处理，实现对转矩电压的实时控制。此外，霍尔电流传感器可以获取电流信号，并且只需要获取单相电流信号。

为了实现对转矩电压的实时控制，需要设计该控制器的软件系统。该软件系统中采用的控制算法是对硬件电路DSP芯片进行编程实现的。该系统软件主要包括初始化程序、主程序和中断处理程序3个部分。

在转矩控制系统的每次复位后，首先需要对程序进行初始化。该部分工作主要包括对DSP芯片内部各模块设置初始状态，主要包括I/O接口、通用寄存器模块、ADC控制器模块以及中断处理模块等。完成初始化之后，系统开始执行主程序。该阶段的工作是对电机状态的巡检，主要包括电机电压电流状态、系统状态以及船舶运行状态、转子转速等。在遇到紧急问题时，主程序会实时处理，使系统重新进行初始化。中断处理程序的主要作用是完成对电路的保护。当电路处于过压状态、过流状态等，中断处理程序可以接收芯片引脚的中断信号，将芯片进行电学隔离，直至外部状态处于安全范围内。

3 结语

本文首先提出船舶对电机的高能量密度和高功率密度的要求，指出船舶主要使用横向磁场永磁推进电机。然后根据横向磁场永磁推进电机的内部结构特性，建立了动态数学模型。最后根据直接转矩控制的理论依据，为该电机设计并实现了直接转矩控制器，实现了控制系统的硬件电路模块和软件系统模块。