交流永磁力矩電機(jī)高過(guò)載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)研究

岳通，魏國(guó)，王騫，余瀟，雷晗

交流永磁力矩電機(jī)高過(guò)載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)研究

岳通1，魏國(guó)1，王騫2，余瀟1，雷晗1

（1.中國(guó)兵器工業(yè)第二〇九研究所，四川 成都 610041； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

交流永磁力矩電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、控制精度高、免維護(hù)等特點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性是其關(guān)鍵指標(biāo)之一。本文采用有限元法對(duì)交流永磁力矩電機(jī)在不同負(fù)載狀態(tài)下（輕載、額定負(fù)載、高過(guò)載）的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行研究，并揭示轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與飽和之間的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與負(fù)載程度密切相關(guān)；隨著負(fù)載的增大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰值和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)均呈現(xiàn)先上升后下降再上升的變化趨勢(shì)；電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值明顯高于總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，只能反映總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的趨勢(shì)；負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩峰值的變化趨勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的規(guī)律幾乎相同，也可當(dāng)做判斷總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的一個(gè)參考值。

交流永磁力矩電機(jī)；過(guò)載；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

交流永磁力矩電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、體積質(zhì)量小、控制精度高、布置靈活、免維護(hù)等特點(diǎn)，在航空航天、國(guó)防武器、高技術(shù)船舶、機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。交流永磁力矩電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，已成為國(guó)航和航天領(lǐng)域重要的支撐技術(shù)[1-3]。

在交流永磁力矩電機(jī)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。然而，由于反電勢(shì)或電流的非正弦特性，以及齒槽定位力矩等因素的存在，交流永磁力矩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不可避免地會(huì)存在波動(dòng)[4-7]。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)將使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)、諧振或噪聲，影響系統(tǒng)的可靠性、控制精度或舒適性等重要指標(biāo)。因此，對(duì)交流永磁力矩電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行分析和抑制具有重要意義。

目前，對(duì)交流永磁力矩電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)已有較多研究，基本揭示了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的成因，并指出可從電機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)控制兩方面入手來(lái)有效抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)[8-11]。然而，目前的研究多集中在輕載或額定狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析，鮮有文獻(xiàn)對(duì)力矩電機(jī)高過(guò)載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行研究。事實(shí)上，一方面，高過(guò)載是交流永磁力矩電機(jī)一個(gè)重要的運(yùn)行狀態(tài)，它直接影響裝備的機(jī)動(dòng)性和動(dòng)態(tài)運(yùn)行品質(zhì)；另一方面，在高過(guò)載下，由于磁路飽和程度的增加，電勢(shì)諧波含量加劇，造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)嚴(yán)重，并可能導(dǎo)致傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制方法失效。因此，對(duì)交流永磁力矩電機(jī)高過(guò)載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行研究，具有重要意義。

本文基于磁共能法對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的組成成分進(jìn)行分析，采用有限元計(jì)算對(duì)交流永磁力矩電機(jī)在不同負(fù)載狀態(tài)下（輕載、額定負(fù)載、高過(guò)載）的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行研究，并引入轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)揭示轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與飽和之間的變化規(guī)律。

1 電磁轉(zhuǎn)矩的組成成分分析

在空載情況下，交流永磁力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)沿零值上下波動(dòng)的齒槽轉(zhuǎn)矩，其表達(dá)式為：

齒槽轉(zhuǎn)矩主要是由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變化的磁阻之間的相互作用產(chǎn)生，本質(zhì)上反應(yīng)的是磁場(chǎng)能量隨轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的變化。由于齒槽轉(zhuǎn)矩在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零，因此對(duì)電機(jī)的功率輸出沒(méi)有貢獻(xiàn)。

在負(fù)載條件下，電機(jī)的穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

由式（2）可知，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以分為電磁轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)儲(chǔ)能變動(dòng)引起的轉(zhuǎn)矩，其中：

若三相電機(jī)在0坐標(biāo)系下分離電磁轉(zhuǎn)矩，則：

綜上所述，在坐標(biāo)系和0坐標(biāo)系下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩都可以分為三部分：PM轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩和負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩。對(duì)于這三部分轉(zhuǎn)矩分量，任何一個(gè)分量發(fā)生變化，則總的轉(zhuǎn)矩都將出現(xiàn)波動(dòng)。

2 過(guò)載對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響分析

表1 電機(jī)主要參數(shù)

為提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性，通常手段是優(yōu)化電機(jī)磁鋼的形狀，如圖2所示。這樣一方面可以降低空載時(shí)電機(jī)的5、7次反電動(dòng)勢(shì)諧波，從而一定程度上降低電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；另一方面，由于磁鋼兩側(cè)邊緣做成多段圓弧形狀，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)可以減緩磁場(chǎng)能量的變化，從而降低齒槽轉(zhuǎn)矩。由于這兩個(gè)原因，輕載時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性會(huì)得到顯著提高。需要說(shuō)明的是，此時(shí)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)較弱，由其感生出來(lái)的反電動(dòng)勢(shì)諧波可以忽略不計(jì)，因此可以近似認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)主要是由空載反電動(dòng)勢(shì)諧波引起，而齒槽轉(zhuǎn)矩也為空載齒槽轉(zhuǎn)矩。

圖1 磁鋼優(yōu)化前后的形狀對(duì)比

對(duì)該電機(jī)建立有限元模型，如圖2所示。不斷調(diào)整磁鋼的幾何參數(shù)，使得磁鋼優(yōu)化后空載相反電動(dòng)勢(shì)的5、7次諧波分量的諧波畸變率降低。最終確定下來(lái)的磁鋼，其對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)頻譜如圖3所示。

圖2 電機(jī)有限元計(jì)算模型

圖3 相反電勢(shì)頻譜圖

可以看出，此時(shí)電機(jī)反電勢(shì)5、7次諧波幅值幾乎為零。實(shí)際上此時(shí)的諧波畸變率已經(jīng)降低到0.1%以下。

2.1 空載/輕載時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

對(duì)該電機(jī)進(jìn)行二維有限元分析，得到在空載和輕載時(shí)，優(yōu)化磁鋼前后的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)波形如圖4所示。可以看出，優(yōu)化磁鋼之后，空載條件下和輕載條件下，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)程度都遠(yuǎn)低于優(yōu)化之前。優(yōu)化后，空載時(shí)轉(zhuǎn)矩峰峰值為優(yōu)化前的2.3%，輕載（＝20 A）時(shí)則為8.6%。

2.2 高過(guò)載狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

隨著負(fù)載的增加，輸入電流隨之增大，此時(shí)由于電樞磁動(dòng)勢(shì)的增加以及漏磁等因素的影響，定子鐵芯的各區(qū)域會(huì)出現(xiàn)不同程度的飽和。空載和額定負(fù)載兩種工況下電機(jī)的磁密云圖對(duì)比如圖5所示。

可以看出，相對(duì)于空載，在額定負(fù)載狀態(tài)下，齒部和軛部的磁密幅值明顯增加，達(dá)到1.6～1.8 T。而齒尖部分更甚，其磁密幅值超過(guò)了2.0 T，如圖6所示。

圖4 磁化優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)波形對(duì)比

圖5 電機(jī)磁密云圖

圖6 電機(jī)齒尖處的磁力線分布圖

事實(shí)上，空載時(shí)齒尖部分就存在一定程度的飽和，這主要是齒的聚磁效應(yīng)引起的。在負(fù)載情況下，齒尖部分飽和更加嚴(yán)重，一方面是由于電樞磁動(dòng)勢(shì)增加，定子鐵芯的磁密整體增大，另一方面則是由于齒尖產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，加劇齒尖的飽和。額定負(fù)載條件下的齒尖漏磁明顯高于空載。

隨著電流的增加，鐵芯飽和程度隨之增加，這將直接影響輸出轉(zhuǎn)矩－電流的線性度，如圖7所示。可以看出，在遠(yuǎn)低于額定電流的區(qū)域，實(shí)際轉(zhuǎn)矩－電流曲線與圖中表征線性關(guān)系的虛線非常接近；當(dāng)電流接近及超過(guò)額定點(diǎn)時(shí)，實(shí)際曲線逐漸偏離線性曲線，輸出轉(zhuǎn)矩與電流不再成比例關(guān)系，且低于理想的線性轉(zhuǎn)矩。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)矩－電流曲線

3 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)

優(yōu)化磁鋼形狀的方法，在輕載工況下能很好地提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性，然而隨著鐵芯飽和程度的增加，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的抑制效果會(huì)大打折扣。一方面，飽和會(huì)增加反電動(dòng)勢(shì)的5次和7次諧波分量，增加電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)量；另一方面，會(huì)影響負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值和相位。從總的趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，飽和程度的增加會(huì)增大轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的幅值，削弱優(yōu)化磁鋼形狀帶來(lái)的好處。

為了考察轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與飽和之間的關(guān)系，這里用轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)來(lái)描述轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的程度：

優(yōu)化磁鋼形狀之后的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰峰值和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)隨電流的變化如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰峰值和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)隨電流的變化

可以看出，隨著電流的增大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的峰峰值和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)整體都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰峰值曲線上升到額定電流（67.2 A）附近出現(xiàn)了拐點(diǎn)，拐點(diǎn)過(guò)后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在90 A附近達(dá)到最小值，此后曲線隨電流的增大仍然呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

針對(duì)圖8中的曲線選擇具有代表性的加載電流值，計(jì)算它們對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)波形，得到圖9，并進(jìn)行傅里葉變換，得到不同電流下轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的6次和12次分量的幅值和相位，如圖10所示。

由圖10（a）可以看出，電流從67.2 A上升到110 A時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的6次分量幅值一直在降低，12次分量則先下降后上升，且上升幅度很大。由圖10（b）可以看出，不同電流下轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的6次和12次分量的相位差均在90°～270°之間。因此，從轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的峰值來(lái)看，6次和12次分量存在一定的相互抵消作用。因此，圖8之所以在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰峰值上升的總趨勢(shì)中出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，主要是因?yàn)?次和12次分量存在此消彼長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)作用。隨著電流的繼續(xù)增長(zhǎng)，在120 A位置處，6次和12次分量的幅值相對(duì)于110 A均有所上升，并且兩者之間的相位已經(jīng)低于90°，因此兩者的峰值并不存在抵消作用，反而具有一定的疊加效果。

圖9 不同電流時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)波形

圖10 不同電流下轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的6次和12次分量

4 過(guò)載對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量的影響

采用凍結(jié)磁導(dǎo)率技術(shù)（Frozen Permeability，F(xiàn)P）分離電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩。原理如圖11（a）所示，當(dāng)不使用凍結(jié)磁導(dǎo)率技術(shù)時(shí)，在只有PM激勵(lì)即開環(huán)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為PM，對(duì)應(yīng)的磁通密度為PM（點(diǎn)）；在只有電流激勵(lì)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度分別為i和i（點(diǎn)）。在額定負(fù)載條件下（點(diǎn)），總的磁場(chǎng)強(qiáng)度為PM磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流磁場(chǎng)強(qiáng)度的疊加，即PM＋i＝all。然而總的磁通密度all卻比PM＋i要低。因此負(fù)載情況下的PM和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)無(wú)法分離。當(dāng)使用凍結(jié)磁導(dǎo)率法時(shí)，首先計(jì)算負(fù)載磁場(chǎng)（點(diǎn)）得到負(fù)載時(shí)的磁導(dǎo)率all，并且將該值存儲(chǔ)在各個(gè)單元的數(shù)據(jù)中。然后利用上述磁導(dǎo)率做線性有限元計(jì)算，分別分析點(diǎn)和點(diǎn)的磁場(chǎng)，即只有PM激勵(lì)的磁場(chǎng)(FP, PM)和只有電流激勵(lì)的磁場(chǎng)(FP, i)。通過(guò)凍結(jié)磁導(dǎo)率，非線性問(wèn)題已經(jīng)轉(zhuǎn)換成線性問(wèn)題，所以all＝(FP, PM)＋(FP, i)，從使得負(fù)載情況下的PM和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)得到分離。

根據(jù)前面的分析，對(duì)有限元中凍結(jié)磁導(dǎo)率法的步驟進(jìn)行總結(jié)，如圖11（b）所示。首先使用非線性有限元分析負(fù)載情況的磁場(chǎng)，然后存儲(chǔ)各個(gè)單元中的磁導(dǎo)率，最后使用上述磁導(dǎo)率對(duì)PM和電流單獨(dú)激勵(lì)時(shí)的磁場(chǎng)分別進(jìn)行線性有限元分析。

圖11 凍結(jié)磁導(dǎo)率法的原理和步驟

利用式（2）、式（3）對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分離，只需要計(jì)算總轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩這三個(gè)變量中的兩個(gè)即可。由于負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩需要計(jì)算常值電流情況下的磁場(chǎng)能量微分，并且磁場(chǎng)能量是由各個(gè)單元的能量累加得到，所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)不方便，且計(jì)算誤差較大，難以滿足要求。因此，選擇計(jì)算總轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，利用二者之差即可得到負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩。利用非線性有限元靜磁場(chǎng)功能計(jì)算不同時(shí)刻電機(jī)負(fù)載情況下的總轉(zhuǎn)矩，得到負(fù)載時(shí)的繞組磁鏈，并對(duì)該磁場(chǎng)凍結(jié)磁導(dǎo)率，然后利用線性靜態(tài)磁場(chǎng)功能計(jì)算每一時(shí)刻的只有PM激勵(lì)和只有電流激勵(lì)兩種情況下的磁鏈，由此可以得到以上三種情況下的每相反電動(dòng)勢(shì)為：

最后利用式（2）、式（3）分離各個(gè)轉(zhuǎn)矩分量。

分別計(jì)算空載和額定負(fù)載條件下的電磁場(chǎng)，得到反電動(dòng)勢(shì)時(shí)域波形，如圖12所示。由圖12（a）可知，因飽和影響，相對(duì)于空載磁場(chǎng)，負(fù)載PM磁場(chǎng)感生的反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生了扭曲，并且負(fù)載時(shí)電樞磁場(chǎng)感生的反電動(dòng)勢(shì)也非常明顯，其幅值和PM磁場(chǎng)感生的反電動(dòng)勢(shì)相當(dāng)。將負(fù)載時(shí)PM磁場(chǎng)感生的反電動(dòng)勢(shì)和電磁磁場(chǎng)相加，可以得到負(fù)載時(shí)總的反電動(dòng)勢(shì)，如圖12（b）所示。電樞反應(yīng)使得負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)相對(duì)于空載幅值明顯有所增加，并相位也有所改變。磁場(chǎng)飽和使負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)發(fā)生了明顯的扭曲。

圖12 空載和負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)

通過(guò)快速傅里葉分析得到反電動(dòng)勢(shì)諧波頻譜，如圖13所示，可以看出，負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)無(wú)論是基波還是諧波均有所增加，特別是5次和7次諧波，幅值分別為空載時(shí)的36.9倍和24.1倍。根據(jù)公式計(jì)算可知，5次和7次諧波畸變率為3.1%，實(shí)際上負(fù)載時(shí)11次和13次等其他諧波幅值也很明顯，總諧波畸變率高于3.1%。

圖13 反電動(dòng)勢(shì)頻譜

根據(jù)前面的分析可以預(yù)見，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的幅值會(huì)因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)諧波的增加而增大。實(shí)際上額定負(fù)載時(shí)的電機(jī)各轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量的時(shí)域波形如圖14所示。其中圖14（b）所示的PM轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和磁阻轉(zhuǎn)矩波動(dòng)波形顯示兩者的峰峰值要比實(shí)際總轉(zhuǎn)矩波動(dòng)還要大一些，并且兩者的基頻均為電頻率的6倍，與前面的分析吻合。與此同時(shí)，圖14（a）顯示，負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩相對(duì)于空載，其峰峰值由原來(lái)的0.27 N·m變成現(xiàn)在的53.8 N·m，波動(dòng)程度甚至超過(guò)了PM轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和磁阻轉(zhuǎn)矩波動(dòng)?？梢娯?fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)起到了重要作用。由于負(fù)載時(shí)存在電樞磁場(chǎng)和飽和效應(yīng)，負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩的基波周期也由原來(lái)的30°電角度變成現(xiàn)在的60°電角度。因此，在PM轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、磁阻轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的基波次數(shù)均為6次的情況下，輸出轉(zhuǎn)矩自然也就呈現(xiàn)出以6次為基頻的波動(dòng)。

利用凍結(jié)磁導(dǎo)率技術(shù)分離不同負(fù)載條件下的轉(zhuǎn)矩分量，可得到各轉(zhuǎn)矩分量的波動(dòng)隨電流的變化，如圖15所示。其中圖15（a）的縱軸為實(shí)際轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的峰峰值，圖15（b）的縱軸為轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰峰值占其各自最大值的百分比?？煽闯?，各轉(zhuǎn)矩分量的波動(dòng)峰峰值總體呈現(xiàn)隨電流增加而增大的趨勢(shì)，且各轉(zhuǎn)矩分量增加的速度大于總轉(zhuǎn)矩。由于各轉(zhuǎn)矩分量存在如圖14所示的相位差，因此雖然各分量波動(dòng)幅值迅速上漲，總轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的幅值卻明顯低于各轉(zhuǎn)矩分量。特別需要指出的是，PM轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的峰峰值均單調(diào)增加，并不能反映總轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值的變化趨勢(shì)，但兩者之和，即電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)卻和總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相同。根據(jù)式（2）和式（3），只有使用負(fù)載時(shí)總的繞組反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算得到的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)才能反映總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的趨勢(shì)，而只用PM感生的反電動(dòng)勢(shì)卻不能。但即使如此，電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也只能反映總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的趨勢(shì)，其幅值明顯高于總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。另外，負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值的變化趨勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的規(guī)律幾乎相同，因此也可以當(dāng)作判斷總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的一個(gè)參考值。

圖14 空載和額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量

5 結(jié)論

本文對(duì)交流永磁同步電機(jī)在高過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算和分析。通過(guò)以上研究，得出如下結(jié)論：

（1）交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與負(fù)載程度密切相關(guān)。

（2）隨著負(fù)載的增大（從空載到過(guò)載），轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰峰值和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)均呈現(xiàn)先上升后下降再上升的變化趨勢(shì)。

（3）電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值要明顯高于總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，只能反映總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的趨勢(shì)。負(fù)載齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值的變化趨勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的規(guī)律幾乎相同，也可以當(dāng)作判斷總體轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的一個(gè)參考值。

本文研究可為同類電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的分析與抑制提供一定的指導(dǎo)。

圖15 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)隨電流的變化

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Research on Torque Ripple of Permanent Magnet AC Torque Motors Under Overload Conditions

YUE Tong1，WEI Guo1，WANG Qian2，YU Xiao1，LEI Han1

( 1.Norla Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China; 2.School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001, China )

Permanent magnet AC torque motor has the characteristics of high torque density, high control precision, free maintenance. And torque smoothness is one of the key indicators. The paper analyzes the torque ripple of permanent magnet AC torque motors at different load conditions ( including light load, rated load and overload ), and reveals the relationship between torque ripple and saturation. It is shown that the torque ripple is closely related to the load level. As the load increases, both the peak torque ripple and torque ripple coefficient tend to rise first, then fall, and rise again. Electromagnetic torque fluctuation is significantly higher than the overall torque fluctuation, which can only reflect the trend of overall torque fluctuation. The variation trend of load cogging torque peak value is almost the same as that of electromagnetic torque fluctuation, and can also be used as a reference value for judging the overall torque fluctuation.

permanent magnet AC torque motor；overload；torque ripple

TM351

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.09.003

1006-0316 (2022) 09-0015-09

2021-10-12

岳通（1977－），男，四川南充人，碩士，研究員，主要從事系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方面的研究工作，E-mail：hityuetong163@163.com。