双凸极电机转矩脉动的仿真研究

核心提示：　　双凸极电机是20世纪90年代出现的一种新型交流调速电机，是交流电机调速与传动领域近年来继开关磁阻电机之后又一新的研究方向

　　双凸极电机是20世纪90年代出现的一种新型交流调速电机，是交流电机调速与传动领域近年来继开关磁阻电机之后又一新的研究方向，其独特的结构和优良的电气性能已得到越来越多的关注和研究[1～5 ].双凸极电机在结构上与带有闭环控制的步进电机和开关磁阻电机类似，只是在定子上（或转子上）装有永磁体（或电励磁线圈） ，在调速性能上与直流电机调速系统相近[ 3， 4 ].双凸极电机的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大、功率因数接近于1、效率高等。

　　然而由于这种电机的双凸极结构和供电电源的开关形式，导致了其不可避免的转矩脉动特性。

　　双凸极电机转子上产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构的影响，其合成转矩并不是恒定转矩，转矩脉动较大。双凸极电机的转矩脉动主要源于两种情况，一种是稳态转矩脉动，是由开关管高频PWM工作造成的，对电机性能影响相对较小另一种是电流换向产生的转矩脉动，这种转矩脉动对电机性能影响较大。由于转矩脉动是影响双凸极电机调速性能的重要因素，本文对电励磁双凸极电机的转矩脉动特性进行了仿真分析，研究如何通过双拍控制以及改进控制参数和励磁电流波形等方法减小转矩脉动，为双凸极电机系统的优化设计打下基础。

　　1转矩仿真分析假设双凸极电机的电感为分段线性化的理想情况，电机的电感不随电枢电流变化，并认为在电励磁的情况下，励磁磁导无穷大，使相与相之间的互感近似为零。双凸极电机的输出转矩为以A相为例，电机一相的输出转矩为式中： T为磁阻转矩，是A相绕组通过电流时，随着转子位置的不同，电枢绕组电感发生变化而产生的转矩分量 T为励磁转矩，是A相绕组通过电流时，随着转子位置的不同，电枢绕组与励磁绕组的互感发生变化而产生的转矩。不考虑相与相之间的互感时，可以分别计算各相的输出转矩，再将它们线性叠加，求出输出的总转矩。

　　1. 1电流控制时输出转矩脉动分析在电流不控制的情况下，电流波形正负不对称，正向幅值小于负向幅值，见图1（ a）。这是因为正向电流达到峰值时，电感L达到最大值，电感阻碍电流变化的作用较大，使电流变化缓慢，波形较秃而反向电流达到峰值时，电感L达到最小值，电感阻碍电流变化的作用较小，使电流变化迅速，波形较尖，从而使正反向电流不对称。加了电流控制后，电流就会被控制在某一值附近，使电流波形较对称，见图1（ b）。另外，由于电感的影响，在两种情况下，均为正向电流向负向电流换向时，电流变化较慢，而负向电流向正向电流换向时，电流变化较快。

　　对称使转矩波形在正负两个半周内不对称，换向转矩脉动比较大若进行电流控制，则正负半周电流较对称，虽然仍存在转矩脉动，但较之不加控制时（ a）电流不控制情况下电感、相电压、电流及励磁电流波形（ b）电流控制情况下电感、相电压、电流及励磁电流波形（ c）电流不控制情况下各转矩波形（ d）电流控制情况下各转矩波形相蓉，等：双凸极电机转矩脉动的仿真研究变小了。由式（ 2）知，由于双凸极电机的转矩为励磁转矩上加上磁阻转矩，励磁转矩恒为正，而磁阻转矩是正负交替的，只有当励磁转矩比磁阻转矩大得多时，输出转矩才不会因为磁阻转矩的影响而产生较大的脉动。电流不控制时，磁阻转矩和励磁转矩大小差不多，甚至可能某一时刻磁阻转矩大于励磁转矩，使得输出转矩脉动较大。在电流控制的情况下，相电流本身脉动较小，而且在这种情况下，可以做到使磁阻转矩小于励磁转矩，使电机转矩脉动变小。

　　1. 2单拍工作时控制参数对转矩脉动的影响双凸极电机一般有两种工作方式：单拍工作方式和双拍工作方式。单拍工作方式在任一时刻只有一相绕组导通，而双拍工作方式有两相绕组同时导通。显然，双拍工作方式的输出转矩要大于单拍工作方式，双拍工作方式时的转矩/电流比大于单拍工作方式。

　　矩脉动明显减小，但由于电流换向引起的转矩脉动较大，仍将对电机性能产生较大的影响。因此有必要研究通过改变电机控制参数减小换向转矩脉动。

　　减小换向转矩脉动的方法之一就是使励磁转矩比磁阻转矩大得多，从而使励磁转矩在电机输出转矩中起主要作用。下面尝试用改变电枢电流和励磁电压这两个控制参数减小转矩脉动。

　　1. 2. 1改变电枢电流减小相电流可明显减小换向转矩脉动。此处定义转矩脉动率为正半周平均转矩与负半周平均转矩之差比一周内平均转矩。图2表明，当电枢平均电流幅值I为7 A时，转矩脉动为43. 5 而当I为5 A时，转矩脉动下降为11. 8.这是因为减小相电流I平方按平方关系减小，使之减小幅度远大于T的减小幅度，从而使T远小于T ae，因此采用此方法可以有效地减小换向转矩脉动。

　　1. 2. 2改变励磁电压由图3可见，增大励磁电压U f，可明显减小转矩脉动， U 14 V时，转矩脉动为31. 6 而当U矩脉动下降为24. 0.由式（ 2）知，励磁转矩T正比于I而磁阻转矩T不随I的变化而变化，所以励磁电压U增大时，相应地提高了I f，使输出的励磁转矩T相应增大，而此时电枢电流保持不变，也保持不变，故T比在电机输出转矩中所占的份量增大，因此达到了减小换向转矩脉动的目的。

　　1. 3双拍工作方式转矩分析单拍工作方式存在较大的换向转矩脉动，另外，由于电感特性中有约1 /3周期的电感值不变，决定了这种工作方式有约1 /3周期输出转矩为零，为进一步改善双凸极电机的转矩特性，可采用双拍工作方式。

　　南京航空航天大学学报比较图3～5可知，双拍工作方式输出转矩比单拍工作方式约大两倍，且不存在输出转矩为零的区间，这是由于双拍工作方式任一时刻有两相同时工作，输出转矩为两相转矩叠加。另外，由于两相工作的对称性，当两相输出转矩叠加时，这两相的电流反向，产生的磁阻转矩也反向，叠加时磁阻转矩的作用可以抵消，有效地减小了换向转矩脉动。

　　1. 4改变励磁电流波形的转矩脉动分析虽然采用双拍工作方式有效地减小了电流换向引起的换向转矩脉动，但是双凸极电机的工作原理决定了电流由于换向必然存在过零点，使得各相转矩必然存在过零点，由电感特性决定了输出转矩中可能存在两相同时换相，转矩同时过零，而另一相转矩非零的情况，此时由于电感处于最大值，阻碍相电流变化作用明显，使得电流换向的变化率不够大，形成换相缺口，如图5中的t期间。要消除此缺口，可考虑在t期间加大第三相的励磁相蓉，等：双凸极电机转矩脉动的仿真研究电流（见图7）以提高其输出转矩，以此弥补换相引起的缺口，减小换相转矩脉动。由图6， 8可见，改变励磁电流的波形增大了另一相在其它两相换相期间的输出转矩，使电机输出转矩的换相缺口减小。

　　可见改变励磁电流波形可有效地减小换相转矩脉动。

　　励磁电流波形输出转矩波形2结论转矩脉动是影响双凸极电机稳态性能的重要指标，因此研究减小双凸极电机电流换向和电流换相引起的转矩脉动具有很大的意义。本文提出了改变双凸极电机的控制参数、采用双拍工作方式和改变励磁电流波形等方法改善双凸极电机的转矩脉动特性，得出如下结论：（ 1）要减小双凸极电机的换向转矩脉动，就要使励磁转矩在输出转矩中起主要作用。单拍工作方式时可采用的方法有：减小电机的相电流和增大励磁电压，但前者是以减小输出转矩为代价的，而后者又能提高输出转矩，所以最好将两种方法结合起来，既减小换向转矩脉动，又得到所需的输出转矩。

　　（ 2）双拍工作方式下提高了输出转矩，其转矩/电流比大，另外由于两相同时工作，当两相电流方向相反时产生相反的磁阻转矩，在输出转矩中相抵，因此较单拍工作方式有效地减小了换向转矩脉动。

　　（ 3）改变双凸极电机励磁电流的波形，可以在某两相电流换相时，增大另一相的转矩，叠加时可以弥补由于换相产生的缺口。因此改变励磁电流的波形可改善换相缺口，有效地减小电机的换相转矩脉动。