開關磁阻電機的轉矩脈動抑制研究

陸晶穎，蔣 偉，陶明明

(揚州大學,揚州225127)

0 引 言

開關磁阻電機結構簡單堅固,各相獨立,可以長時間工作在惡劣環(huán)境下,適用于機床設備、電動汽車、煤礦工業(yè)等領域。然而其轉矩脈動較大會引起噪聲等問題,影響整機的運行性能,限制了開關磁阻電機的應用與發(fā)展[1-2]。本文利用有限元工具對一個四相8/6極的開關磁阻電機進行有限元分析,對轉矩脈動產生的機理進行研究,介紹了一種新型的階梯狀勵磁電流模式,研究該勵磁電流模式的參考電流及勵磁相重疊角度的參數(shù)對轉矩脈動的影響[3-6]。對傳統(tǒng)雙相勵磁模式及新型勵磁電流模式進行實驗,實驗表明,本文所介紹的新型階梯狀的勵磁電流模式可以降低開關磁阻電機的轉矩脈動,通過調節(jié)參考電流及勵磁相重疊角度的參數(shù)可獲得最小轉矩脈動。

1 轉矩脈動產生的機理研究

1.1 有限元建模

基于Magnet的四相8/6極開關磁阻電機(以下簡稱SRM)的3D有限元模型及其網絡剖分如圖1所示。電機定子每極繞有線圈130匝,每相繞組由兩個線圈串聯(lián)而成,采用不對稱半橋的拓撲結構。

圖1 8/6極SRM有限元建模

1.2 轉矩脈動產生的機理

SRM換相勵磁的運行特性導致其轉矩脈動大于其他種類電機。SRM在換相過程中,當前勵磁相關斷后不再產生電磁轉矩,下一勵磁相的電流不可以突變,所產生的電磁轉矩有一個緩增的過程,即產生轉矩脈動。當前勵磁相相電流減小,下一勵磁相相電流增大,當兩相電流大小相等時,產生的轉矩脈動最大。式(1)為SRM的電磁轉矩的總體表達式,式(2)為任意相開關磁阻電機N相繞組上產生的力矩具體分段表達式,由電磁轉矩公式可知,轉矩和電流大小有關和電流方向無關,并和電流的平方、電感上升率成正比,其中K為與電機參數(shù)相關的常數(shù)。

式中:θ1～θ2為最小電感區(qū)間;θ2～θ3為電感上升區(qū)間;θ3～θ4為最大電感區(qū)間;θ4～θ5為電感下降區(qū)間。

SRM傳統(tǒng)的勵磁方式有3種:單相勵磁、雙相勵磁和單雙相混合勵磁,其供電方式分別如下:A→B→C→D→E→A→;AB→BC→CD→DE→EA→AB→;A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A→。對這3種勵磁模式進行有限元仿真,其轉矩脈動特性如圖2所示。

圖2 3種傳統(tǒng)勵磁方案下的轉矩特性曲線

單相勵磁會產生較大的轉矩降落,雙相勵磁則會產生較大的轉矩沖擊,單雙混合勵磁雖然綜合了單相與雙相勵磁的優(yōu)缺點,但是轉矩脈動依然很大。

2 新型的勵磁電流模式

綜合上節(jié)所述的傳統(tǒng)勵磁方法下轉矩脈動大的問題,提出如圖3所示的新型的勵磁電流模式。其中I2為額定電流,I1為I2成比例縮小的參考電流值,Δθ為勵磁相重疊角,各相前二分之一的勵磁相角度減少Δθ對應的勵磁相電流值為I1,各相后二分之一的勵磁相角度增大Δθ對應的勵磁相電流值為I2。該勵磁模式下的任一種開關磁阻電機第N相繞組上產生的力矩具體分段表達式電磁轉矩如式(3)所示;其中C為I1相對于I2的比例。

I1=C·I20＜C＜1

Δθ為勵磁相重疊角;θN1為第N相繞組最小電感的起始位置;θon為第N相繞組開通角;θoff為第N相繞組關斷角。

圖3 新型勵磁電流模式

本文所述階梯狀勵磁電流模式,通過階梯狀的電流減少雙相勵磁時重疊部分切向力的大小從而降低轉矩沖擊。根據式(4)進行切向力密度的計算:

對同一定轉子位置的2種勵磁方式下定轉子中間氣隙位置的切向電磁力進行計算,2種勵磁模式下的磁力線分布及切向力密度分布情況如圖4所示。從切向力密度的分布曲線可以看出,雙相勵磁模式產生較強的磁場,切向力的峰值超過前一個切向力的2倍多,導致轉矩力沖擊;階梯狀的電流勵磁模式產生較弱的磁場,產生均勻的切向力,減小轉矩沖擊,降低轉矩脈動。

取額定電流I2為5 A,對不同I1和Δθ進行有限元仿真,其轉矩特性曲線如圖5所示。任一種I1對應的轉矩脈動都是隨著Δθ增大先減小后增大,即每個I1值都能夠對應一個Δθ,使得轉矩脈動最小;I1取值不同,對應不同的Δθ可以得到最小ΔT。

對I2=5 A和I2=10 A 2種情況的不同Δθ,I1進行有限元仿真,其轉矩脈動特性如圖6所示。從圖6的曲面可以找尋最優(yōu)的勵磁參數(shù)的區(qū)域,I2=5 A的最優(yōu)勵磁區(qū)間為I1=2 A,Δθ=0.7°范圍附近,I2=10 A的最優(yōu)勵磁區(qū)間為I1=8 A,Δθ=0.4°范圍附近。

圖5 不同I1和Δθ的轉矩特性

圖6 不同Δθ,I1對應的轉矩脈動特性

3 實驗結果與分析

實驗包括傳統(tǒng)的雙相勵磁模式下轉矩特性測試及新型階梯狀勵磁電流模式下轉矩特性的測試,對比2種勵磁模式的轉矩脈動區(qū)別。測試系統(tǒng)硬件平臺如圖7所示,包括:開關磁阻電機、驅動器、扭矩儀、光電編碼器、伺服電機(負載)、伺服電機驅動器等,控制器選用TI公司的TMS320F28335,驅動電路由4個相同的驅動模塊構成。

圖7 實驗平臺

實驗用扭矩儀(RK-060)量程為-200～+200 N·m,輸出為0～10 V,即輸出轉矩為T=40Vout,轉矩脈動為ΔT=40 Vpp,圖8為傳統(tǒng)的雙相勵磁模式和本文提出的新型階梯狀電流模式下轉矩脈動特性實驗結果。雙相勵磁模式下Vpp=127.6 mV,ΔT=5.104 N·m,階梯狀勵磁電流模式下Vpp=51.4 mV,ΔT=2.056 N·m,新型階梯狀的電流模式下的轉矩脈動小于雙相勵磁模式下的轉矩脈動,驗證了階梯狀勵磁電流模式可以降低轉矩脈動。

圖8 雙相勵磁電流模式及階梯狀勵磁電流模式下轉矩脈動特性(截圖)

4 結 語

本文研究了一種SRM的轉矩脈動抑制方法,針對傳統(tǒng)的雙相勵磁模式,提出了一種新型的階梯狀勵磁電流模式,設計了該模式的參考電流及勵磁相重疊角度的參數(shù)。實驗表明,本文所介紹的新型階梯狀勵磁電流模式可以降低SRM的轉矩脈動,通過調節(jié)參考電流及勵磁相重疊角度的參數(shù)可獲得較小轉矩脈動。未來研究計劃通過轉矩脈動前饋的方法動態(tài)調整勵磁電流階梯值和重疊值,達到當前功率等級下最優(yōu)的轉矩脈動抑制效果。

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