電勵(lì)磁雙凸極電動(dòng)機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究

鄒治銳，陳世元

(華南理工大學(xué)，廣東廣州510640)

0 引 言

電勵(lì)磁雙凸極電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱DSEM)類似雙凸極永磁電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、力矩電流比大、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空電源、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1－2］。DSEM同樣無法避免磁阻類電機(jī)所存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。

DSEM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因有多方面，主要源于兩種情況:一種是電磁因素造成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，通電繞組電流并不是理想的方波電流，會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩存在原理性波動(dòng)［3］;另一種是電流換向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響比較大［4］。本文重點(diǎn)分析在通電狀態(tài)改變下?lián)Q向電流的變化過程，研究換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因，為DSEM電機(jī)的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化提供一定的參考意義。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)原理

圖1是一臺(tái)三相15 kW、12/8極外轉(zhuǎn)子DSEM輪轂電機(jī)剖面圖。A、B、C三相電樞繞組和勵(lì)磁繞組均放置在定子上，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。選擇其中4個(gè)沿圓周均勻分布且空間相對(duì)的定子槽，加深其深度和寬度以放置勵(lì)磁繞組［5］。

圖1 DSEM輪轂電機(jī)剖面圖

圖2 理想電感波形與電流波形

設(shè)計(jì)DSEM電機(jī)一般采用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)原則，選擇轉(zhuǎn)子極弧略大于定子極弧，這是為了保證在任何轉(zhuǎn)子位置時(shí)均具有正、反向自起動(dòng)能力以及相繞組的換流［6－7］，本文轉(zhuǎn)子極弧取 18°。理想的電感波形與電流波形如圖2所示，根據(jù)電感上升區(qū)間通正電流、電感下降區(qū)間通負(fù)電流、電感不變區(qū)間不通電的原則，故通電模式為三相六狀態(tài)，有些類似于無刷直流電動(dòng)機(jī)的通電模式。三相繞組為星形連接，主電路采用全橋控制電路，如圖3所示。

圖3 全橋控制電路

2 換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析

2.1 B+C－相導(dǎo)通向B+A－相導(dǎo)通換相過程

參照?qǐng)D2的通電規(guī)律，分析B+C－相導(dǎo)通向B+A－相導(dǎo)通換相過程:開關(guān)Q3保持開通狀態(tài)不變，B相繞組電流持續(xù)，Q6關(guān)斷的同時(shí)Q2開通，A相繞組電流由零開始負(fù)向上升，由于電感的存在，C相繞組不能馬上變?yōu)榱?，而是通過與二極管D5續(xù)流，等效電路如圖4所示。

圖4 B+C－向B+A－換相等效電路

假設(shè)繞組電感忽略不計(jì)，B+C－導(dǎo)通向B+A－導(dǎo)通換相瞬間，有 eb= －ec=E，ea=0，U=eb－(－ec)=2E，故電壓平衡方程式:

解上述方程組得:

參照?qǐng)D2的理想電感波形，有La=Lmax，Lc=Lmin，Lb比Lmin大一些，令 Lb=L2nd，則方程組可改為:

2.2 B+A－相導(dǎo)通向C+A－相導(dǎo)通換相過程

分析B+A－相導(dǎo)通向C+A－相導(dǎo)通換相過程:開關(guān)Q2保持開通狀態(tài)不變，A相繞組電流持續(xù)，Q3關(guān)斷的同時(shí)Q5開通，C相繞組電流由零開始上升，由于電感的存在B相繞組不能馬上變?yōu)榱?，而是通過與二極管D4續(xù)流，等效電路如圖5所示。

圖5 B+A－向C+A－換相等效電路

同理，B+A－導(dǎo)通向C+A－導(dǎo)通換相瞬間，有eb= －ea=E，ec=0，U=eb－(－ea)=2E，故電壓平衡方程式:

解方程組得:

同理有 Lb=Lmax，Lc=Lmin，La比Lmin大一些，令La=L2nd，則方程組可改為:

可以看出的正負(fù)性不明顯，換向相B相處于電感不變區(qū)間理論上不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩;換向相C相的電流從零開始正向上升;一般情況下，DSEM中最大電感值要大于兩倍的最小電感值，故非換向相A相的電流變化率偏小于零，因?yàn)锳相為負(fù)電流，電流會(huì)繼續(xù)負(fù)向增大，但由于電流滯環(huán)控制電路的作用使得電流不會(huì)繼續(xù)增大，故A相電流可以保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

3 仿真結(jié)果分析與改善

利用ANSOFT公司開發(fā)的電磁場(chǎng)有限元分析軟件Maxwell和ANSOFT公司的另一款電路仿真軟件Simplorer進(jìn)行聯(lián)合仿真，搭建橫跨電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合場(chǎng)瞬態(tài)仿真模型，實(shí)現(xiàn)電路、控制、磁場(chǎng)三方的同時(shí)仿真，具有較高的仿真精度，非常適合電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真分析。

在Maxwell中建立DSEM電機(jī)模型，在Simplorer中加入全橋電路及電流滯環(huán)控制電路，得到的三相電流仿真波形如圖6所示?？梢钥闯鯞+C－向B+A－換相時(shí)非換向相B相電流有明顯的下降，即使有電流滯環(huán)電路也阻擋不了電流下降的趨勢(shì);換向相A相電流變化的時(shí)間要比C相長(zhǎng)一些，均與理論分析吻合。

圖6 三相電流波形

圖7 是輸出轉(zhuǎn)矩曲線圖，電流換向時(shí)電流未達(dá)到穩(wěn)定電流參考值，使得轉(zhuǎn)矩出力變小，從而輸出轉(zhuǎn)矩形成凹陷，產(chǎn)生脈動(dòng)。

圖7 轉(zhuǎn)矩曲線

由于三相繞組是星形連接，在全橋電路控制下，換向相電流的變化易引起非換向相電流的變化，圖6已經(jīng)表明這種情況。

圖8 半橋控制電路

圖8 是半橋控制電路引入電容的中點(diǎn)電位，使三相繞組工作互不干擾，有利于獨(dú)立控制［8］。在電流滯環(huán)控制下，三個(gè)繞組無需限制在ia+ib+ic=0的條件下，非換向相電流很好地控制在一個(gè)波動(dòng)較小范圍內(nèi)，三相電流波形如圖9所示。非換向相電流凹陷的消除使得輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有所減小，如圖10所示。

半橋控制電路有一定的局限性，要求分裂式電容充放電保持平衡，維持中性點(diǎn)電壓穩(wěn)定，則需要某一換向相繞組電流反向(正到負(fù)或負(fù)到正)達(dá)到給定值，另一換向相恰好關(guān)斷完畢［8］(電流為零)，因而圖2中傳統(tǒng)的通電方式需要進(jìn)行角度優(yōu)化，以滿足電容充放電平衡。

4 結(jié) 語

理想的方波電流才能產(chǎn)生較為平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，通過分析從一個(gè)通電狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)換向電流瞬間變化的過程，研究換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因，換向相電流正向上升到正的穩(wěn)定電流參考值或負(fù)向上升到負(fù)的穩(wěn)定電流參考值需要一定的時(shí)間，非換向相電流的凹陷都對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生影響，軟件仿真驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

與全橋電路相比，半橋電路消除了換向過程中非換向相電流產(chǎn)生的凹陷，很好地保持非換向相電流的穩(wěn)定，對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有一定的改善，但要求滿足電容充放電平衡，否則電容的中性點(diǎn)電壓不易穩(wěn)定，因而需要角度優(yōu)化控制，通過調(diào)整開關(guān)管的通斷區(qū)間來維持電容充放電平衡。

［1］孔祥新，程明，束亞剛，等.定子雙饋電雙凸極電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析與抑制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(5):18 －22.

［2］張樂.電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析與抑制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(3):83 －89.

［3］譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011，3:177 －178.

［4］相蓉，周波，孟小利.電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析與抑制［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33(4):366 －371.

［5］余海闊，陳世元.電勵(lì)磁雙凸極輪轂電機(jī)空載性能的有限元分析［J］.微電機(jī)，2011，44(6):23 －26.

［6］李永斌，龔宇，江建中.雙凸極永磁電機(jī)斜極轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和繞組換流模式研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(7):70 －75.

［7］李永斌.定子雙饋雙凸極永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)研究［D］.上海:上海大學(xué)，2004，6.

［8］李國(guó)生.基于半橋變換器的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)角度優(yōu)化控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(27):102 －108.