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摘要：文章主要阐述开关磁通电机的组成结构，分析其运行原理，讨论发电机运行时的无功补偿策略，提出将能恢复开关串联补椟的方式应用到开关磁通电机运行控制系统中，通过数据建模，在仿真系统中，对其运行方式和稳态特性进行研究。
关键词：开关磁通启动发电机；控制电路；模拟试验
根据调查数据显示，我国居民汽车的覆盖率已经达到76.2%，汽车已经成为居民日常出行的重要代步工具。但汽车数量越来越多的时候，汽车的启动和行驶都需要石油资源，而我国石油资源本身就比较稀缺，为了解决人们的生活需求，尽快研制电动汽车、混合动力汽车成为当前迫在眉睫的任务。随着现代科技的不断提升，越来越多的汽车技术被应用到实践生产中，例如，太阳能汽车就是世纪新能源汽车的代表。然后电机技术是汽车制动系统中的核心部分，是重要的构件，在汽车结构中发挥着重要的作用。开关磁通是新型的电机技术工艺，能起动发电机控制电路，为后期蓄电。开关磁通具有体积小、效率高等特点，在汽车系统中的应用优势明显。下面对工艺的实现和仿真进行简要的分析。
1 开关磁通电机结构及原理
1.1 开关磁通电机结构及特点
磁通开关电机的结构类似于双凸永磁电机，均属于定转子齿槽结构，其中定转子是构件的核心，主要是由铁芯硅钢片制作而成。定转子上面不仅装有电枢绕组，还有励磁绕组，这种电机结构相对简单、稳固。在运行过程中，对产生的热能可以很快地进行散热，还有很强的鲁棒性能，适用于高速领域，按照级数、相数分，开关磁通电机有单相结构及三相结构。本文以单相开关磁通电机为例，对其结构和工作原理进行简要阐述。
1.2 开关磁通电机工作原理
开关磁通电机定子绕组接通电源时，转子能让绕组转到与定子磁阻最小的位置，从而产生一种磁阻转矩。设定转子逆时针旋转的发电状态，通过绕组通有单极性电流产生单相的磁通向量，以电枢绕组槽中心线为中心对齐，此时点数绕组产生负电流，让转子能顺时针旋转，然后产生一种定子级对齐的趋势，此时就处于一种发电状态，此时的转矩汇转变为阻力矩。在整个电机系统工作时，励磁绕组是重要的合成磁通向量，这种向量在定子级之间相互切换，转子极将磁通工作产生的转子向量达到最大。电枢绕组中电流的反向将导致定子合成磁，这种能量在相邻的定子级之间相互切换，并产生振荡。整个系统接通电源处于发电状态，电磁绕组处于通电状态，然后结合机械自身产生的一种原动力，推动转子旋转，产生不断的感应电流，结构简图如图1所示。
2 基于MATLAB的仿真模型
2.1 开关磁通发电机数学模型及参数设定
开关磁通的电机结构简单，以单边励磁方式进行工作。在数字模型建立前，设定好变量和定量，首先假设励磁电源电压保持不变，绕组漏磁忽略不计。在运行中，系统中的其他器件和开关不会出现故障问题，也不会出现断电情况。设定的恒定电转速下，电机的电流电压参考标准，可得燃烧安全保护装置（Flame Safeguard System，FSG）磁链方程，即
上述公式中，ψa表示电枢绕组和励磁绕组的磁链；Ua和Uf分别表示电枢绕组和励磁绕组中的电压；ia和if是电流；La和Lf是自感； Laf是互感；θr是转子角度；J是转动的惯量； w是角速度；Tdev是瞬时转矩；Tload是负载转矩。
2.2 MATLAB电机系统建模与试验
根据上述参数的设定，为了对系统的性能和参数设定方案的可行性进行验证，必须在元器件投入生产之前，进行建模，然后在仿真模型中进行试验。研究采用MATLAB软件进行仿真建模，使用仿真工具SIMULINK，这个工具的功能齐全，是最容易使用的一种。虽然这个工具不能直接进行电路仿真，但是在开关电磁中发电机系统中，这个工具能为系统运行提供串联补偿器，是仿真试验中的重要环节。根据MATLAB的电气系统模块库功能系统，利用它解决开关磁通系统建模试验研究问题。根据SIMULINK工具中的PSB模块，最终对电气系统和控制系统的混合仿真，并建立模型[1]。
开关磁通发电机本体是核心部分，也是整个系统的初步模型，直接影响着系统中的电感和电流及电枢绕组等功能。仿真中一定要保证该部分的精准度，特别注意非线性电感的处理。根据开关磁通发电机电压方程式（2），在MATLAB软件中，使用SIMULINK工具建立微积分、积分、加减乘除等模块，建立开关磁通发电机的励磁绕组和电枢绕组模块（见图2）。
电机中的非线性电感特性是影响整个仿真模型建立精准度的关键，也是仿真模型构建的重要基础。在建模中，一定要考虑中电流的非线性变化。根据MATLAB软件中的语言编程，在构建的模型中使用Look-up的功能插值实现，对电感特性进行测试，采用双凸极的结构，确定电感和转子的相对位置，在电流通过时，电感位置角度和电流的函数得出之后，实现开关磁通发电机的准确建模[2-3]。通过上述参数设定和模型构建，在仿真模型中，应该考虑电机轴向长度的变化，设定定子和转子铁芯无穷大，此时的轴向端部产生效应，从而产生磁场，得到二维静磁场的最终参数，确定数值。
3 开关磁通启动发电机控制电路的优势
开关磁通电机最先开始是应用在交流调速系统中，主要是对汽车的运行系统进行调速苦控制。该技术作为一种新型的电机，它集中开关磁阻电机和直流电机的特点，采用结构双凸极机构，具有机械强度高、运行速度快、大转矩及高功率等特点。该技术还是一种电子换向无刷电机，在使用中故障问题少，寿命使用时间久，且转矩控制的灵活度和精准度极高，能实现速度控制，从而在汽车生产实践中被广泛应用，如电器、电动工具和电动车领域方面[4-5]。同时，根据电机运行的可逆性原理，开关磁通电机还可以工作于发电状态。该技术与传统的永磁无刷发电机结构原理不同，这种开关磁通可以对励磁进行独立控制，这是开关磁通具有的独特优势。对开关磁通发电机运行的研究具有重要的现实意义，并逐渐引起了学术界的重视。
4 结语
上述通过剖析开关磁通电机的系统构成，对工作原理进行阐述，掌握了其运行原理之后，借助MATLAB软件建立了非线性的仿真模型，并确定开关磁通发电机的数学参数，通过有限元计算方法，验证了设定参数的可行性和正确性。通过仿真模拟试验，最后在单片机的开关磁通发电机控制系统软件中了解了硬件设计，最终在仿真试验的结果参考下，顺利设计并制作了电路控制器，并对其進行控制和调试，对开关磁通对电路控制的智能性和可行性进行了验证，最终取得理想的结果。试验表明，开关磁通启动发电机控制电路的设计方案，能满足汽车制动的需求，还能提高系统运行效率，降低发动机运行的震动和噪音，是一种值得大力推广的技术和新型的工艺。
[参考文献]
[1]崔敏超，赵升吨，陈超，等.混合动力汽车用开关磁通电动/发电机数值模拟及试验研究[J].机械工程学报，2016（16）：100-105.
[2]郑萍，梁光照.新型横向磁通永磁直线发电机单位内功率因数控制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.
[3]梁光照.航天用斯特林发电机控制系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.
[4]袁立，刘汝慧.主变分接开关调档对发电机无功的影响[J].电世界，2016（11）：55-55.
[5]王双岭，陈会鸽.应用恒磁通匹配发电机直流母线电压控制分析[J].机械设计与制造，2017（4）：236-239.
关键词：开关磁通启动发电机；控制电路；模拟试验
根据调查数据显示，我国居民汽车的覆盖率已经达到76.2%，汽车已经成为居民日常出行的重要代步工具。但汽车数量越来越多的时候，汽车的启动和行驶都需要石油资源，而我国石油资源本身就比较稀缺，为了解决人们的生活需求，尽快研制电动汽车、混合动力汽车成为当前迫在眉睫的任务。随着现代科技的不断提升，越来越多的汽车技术被应用到实践生产中，例如，太阳能汽车就是世纪新能源汽车的代表。然后电机技术是汽车制动系统中的核心部分，是重要的构件，在汽车结构中发挥着重要的作用。开关磁通是新型的电机技术工艺，能起动发电机控制电路，为后期蓄电。开关磁通具有体积小、效率高等特点，在汽车系统中的应用优势明显。下面对工艺的实现和仿真进行简要的分析。
1 开关磁通电机结构及原理
1.1 开关磁通电机结构及特点
磁通开关电机的结构类似于双凸永磁电机，均属于定转子齿槽结构，其中定转子是构件的核心，主要是由铁芯硅钢片制作而成。定转子上面不仅装有电枢绕组，还有励磁绕组，这种电机结构相对简单、稳固。在运行过程中，对产生的热能可以很快地进行散热，还有很强的鲁棒性能，适用于高速领域，按照级数、相数分，开关磁通电机有单相结构及三相结构。本文以单相开关磁通电机为例，对其结构和工作原理进行简要阐述。
1.2 开关磁通电机工作原理
开关磁通电机定子绕组接通电源时，转子能让绕组转到与定子磁阻最小的位置，从而产生一种磁阻转矩。设定转子逆时针旋转的发电状态，通过绕组通有单极性电流产生单相的磁通向量，以电枢绕组槽中心线为中心对齐，此时点数绕组产生负电流，让转子能顺时针旋转，然后产生一种定子级对齐的趋势，此时就处于一种发电状态，此时的转矩汇转变为阻力矩。在整个电机系统工作时，励磁绕组是重要的合成磁通向量，这种向量在定子级之间相互切换，转子极将磁通工作产生的转子向量达到最大。电枢绕组中电流的反向将导致定子合成磁，这种能量在相邻的定子级之间相互切换，并产生振荡。整个系统接通电源处于发电状态，电磁绕组处于通电状态，然后结合机械自身产生的一种原动力，推动转子旋转，产生不断的感应电流，结构简图如图1所示。
2 基于MATLAB的仿真模型
2.1 开关磁通发电机数学模型及参数设定
开关磁通的电机结构简单，以单边励磁方式进行工作。在数字模型建立前，设定好变量和定量，首先假设励磁电源电压保持不变，绕组漏磁忽略不计。在运行中，系统中的其他器件和开关不会出现故障问题，也不会出现断电情况。设定的恒定电转速下，电机的电流电压参考标准，可得燃烧安全保护装置（Flame Safeguard System，FSG）磁链方程，即
上述公式中，ψa表示电枢绕组和励磁绕组的磁链；Ua和Uf分别表示电枢绕组和励磁绕组中的电压；ia和if是电流；La和Lf是自感； Laf是互感；θr是转子角度；J是转动的惯量； w是角速度；Tdev是瞬时转矩；Tload是负载转矩。
2.2 MATLAB电机系统建模与试验
根据上述参数的设定，为了对系统的性能和参数设定方案的可行性进行验证，必须在元器件投入生产之前，进行建模，然后在仿真模型中进行试验。研究采用MATLAB软件进行仿真建模，使用仿真工具SIMULINK，这个工具的功能齐全，是最容易使用的一种。虽然这个工具不能直接进行电路仿真，但是在开关电磁中发电机系统中，这个工具能为系统运行提供串联补偿器，是仿真试验中的重要环节。根据MATLAB的电气系统模块库功能系统，利用它解决开关磁通系统建模试验研究问题。根据SIMULINK工具中的PSB模块，最终对电气系统和控制系统的混合仿真，并建立模型[1]。
开关磁通发电机本体是核心部分，也是整个系统的初步模型，直接影响着系统中的电感和电流及电枢绕组等功能。仿真中一定要保证该部分的精准度，特别注意非线性电感的处理。根据开关磁通发电机电压方程式（2），在MATLAB软件中，使用SIMULINK工具建立微积分、积分、加减乘除等模块，建立开关磁通发电机的励磁绕组和电枢绕组模块（见图2）。
电机中的非线性电感特性是影响整个仿真模型建立精准度的关键，也是仿真模型构建的重要基础。在建模中，一定要考虑中电流的非线性变化。根据MATLAB软件中的语言编程，在构建的模型中使用Look-up的功能插值实现，对电感特性进行测试，采用双凸极的结构，确定电感和转子的相对位置，在电流通过时，电感位置角度和电流的函数得出之后，实现开关磁通发电机的准确建模[2-3]。通过上述参数设定和模型构建，在仿真模型中，应该考虑电机轴向长度的变化，设定定子和转子铁芯无穷大，此时的轴向端部产生效应，从而产生磁场，得到二维静磁场的最终参数，确定数值。
3 开关磁通启动发电机控制电路的优势
开关磁通电机最先开始是应用在交流调速系统中，主要是对汽车的运行系统进行调速苦控制。该技术作为一种新型的电机，它集中开关磁阻电机和直流电机的特点，采用结构双凸极机构，具有机械强度高、运行速度快、大转矩及高功率等特点。该技术还是一种电子换向无刷电机，在使用中故障问题少，寿命使用时间久，且转矩控制的灵活度和精准度极高，能实现速度控制，从而在汽车生产实践中被广泛应用，如电器、电动工具和电动车领域方面[4-5]。同时，根据电机运行的可逆性原理，开关磁通电机还可以工作于发电状态。该技术与传统的永磁无刷发电机结构原理不同，这种开关磁通可以对励磁进行独立控制，这是开关磁通具有的独特优势。对开关磁通发电机运行的研究具有重要的现实意义，并逐渐引起了学术界的重视。
4 结语
上述通过剖析开关磁通电机的系统构成，对工作原理进行阐述，掌握了其运行原理之后，借助MATLAB软件建立了非线性的仿真模型，并确定开关磁通发电机的数学参数，通过有限元计算方法，验证了设定参数的可行性和正确性。通过仿真模拟试验，最后在单片机的开关磁通发电机控制系统软件中了解了硬件设计，最终在仿真试验的结果参考下，顺利设计并制作了电路控制器，并对其進行控制和调试，对开关磁通对电路控制的智能性和可行性进行了验证，最终取得理想的结果。试验表明，开关磁通启动发电机控制电路的设计方案，能满足汽车制动的需求，还能提高系统运行效率，降低发动机运行的震动和噪音，是一种值得大力推广的技术和新型的工艺。
[参考文献]
[1]崔敏超，赵升吨，陈超，等.混合动力汽车用开关磁通电动/发电机数值模拟及试验研究[J].机械工程学报，2016（16）：100-105.
[2]郑萍，梁光照.新型横向磁通永磁直线发电机单位内功率因数控制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.
[3]梁光照.航天用斯特林发电机控制系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.
[4]袁立，刘汝慧.主变分接开关调档对发电机无功的影响[J].电世界，2016（11）：55-55.
[5]王双岭，陈会鸽.应用恒磁通匹配发电机直流母线电压控制分析[J].机械设计与制造，2017（4）：236-239.