雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的仿真研究

來(lái)源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2015-01-22 14:21:44點(diǎn)擊率：

　　然而由于這種電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和供電電源的開(kāi)關(guān)形式，導(dǎo)致了其不可避免的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性。

　　雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于雙凸極結(jié)構(gòu)的影響，其合成轉(zhuǎn)矩并不是恒定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要源于兩種情況，一種是穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，是由開(kāi)關(guān)管高頻PWM工作造成的，對(duì)電機(jī)性能影響相對(duì)較小另一種是電流換向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電機(jī)性能影響較大。由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是影響雙凸極電機(jī)調(diào)速性能的重要因素，本文對(duì)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析，研究如何通過(guò)雙拍控制以及改進(jìn)控制參數(shù)和勵(lì)磁電流波形等方法減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，為雙凸極電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

　　1轉(zhuǎn)矩仿真分析假設(shè)雙凸極電機(jī)的電感為分段線性化的理想情況，電機(jī)的電感不隨電樞電流變化，并認(rèn)為在電勵(lì)磁的情況下，勵(lì)磁磁導(dǎo)無(wú)窮大，使相與相之間的互感近似為零。雙凸極電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為以A相為例，電機(jī)一相的輸出轉(zhuǎn)矩為式中： T為磁阻轉(zhuǎn)矩，是A相繞組通過(guò)電流時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電樞繞組電感發(fā)生變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量 T為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩，是A相繞組通過(guò)電流時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電樞繞組與勵(lì)磁繞組的互感發(fā)生變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。不考慮相與相之間的互感時(shí)，可以分別計(jì)算各相的輸出轉(zhuǎn)矩，再將它們線性疊加，求出輸出的總轉(zhuǎn)矩。

　　1. 1電流控制時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析在電流不控制的情況下，電流波形正負(fù)不對(duì)稱，正向幅值小于負(fù)向幅值，見(jiàn)圖1( a)。這是因?yàn)檎螂娏鬟_(dá)到峰值時(shí)，電感L達(dá)到大值，電感阻礙電流變化的作用較大，使電流變化緩慢，波形較禿而反向電流達(dá)到峰值時(shí)，電感L達(dá)到小值，電感阻礙電流變化的作用較小，使電流變化迅速，波形較尖，從而使正反向電流不對(duì)稱。加了電流控制后，電流就會(huì)被控制在某一值附近，使電流波形較對(duì)稱，見(jiàn)圖1( b)。另外，由于電感的影響，在兩種情況下，均為正向電流向負(fù)向電流換向時(shí)，電流變化較慢，而負(fù)向電流向正向電流換向時(shí)，電流變化較快。

　　對(duì)稱使轉(zhuǎn)矩波形在正負(fù)兩個(gè)半周內(nèi)不對(duì)稱，換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大若進(jìn)行電流控制，則正負(fù)半周電流較對(duì)稱，雖然仍存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但較之不加控制時(shí)( a)電流不控制情況下電感、相電壓、電流及勵(lì)磁電流波形( b)電流控制情況下電感、相電壓、電流及勵(lì)磁電流波形( c)電流不控制情況下各轉(zhuǎn)矩波形( d)電流控制情況下各轉(zhuǎn)矩波形相蓉，等：雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的仿真研究變小了。由式( 2)知，由于雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩上加上磁阻轉(zhuǎn)矩，勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩恒為正，而磁阻轉(zhuǎn)矩是正負(fù)交替的，只有當(dāng)勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩比磁阻轉(zhuǎn)矩大得多時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩才不會(huì)因?yàn)榇抛柁D(zhuǎn)矩的影響而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)。電流不控制時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩大小差不多，甚至可能某一時(shí)刻磁阻轉(zhuǎn)矩大于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩，使得輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。在電流控制的情況下，相電流本身脈動(dòng)較小，而且在這種情況下，可以做到使磁阻轉(zhuǎn)矩小于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變小。

　　1. 2單拍工作時(shí)控制參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響雙凸極電機(jī)一般有兩種工作方式：?jiǎn)闻墓ぷ鞣绞胶碗p拍工作方式。單拍工作方式在任一時(shí)刻只有一相繞組導(dǎo)通，而雙拍工作方式有兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通。顯然，雙拍工作方式的輸出轉(zhuǎn)矩要大于單拍工作方式，雙拍工作方式時(shí)的轉(zhuǎn)矩/電流比大于單拍工作方式。

　　矩脈動(dòng)明顯減小，但由于電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，仍將對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生較大的影響。因此有必要研究通過(guò)改變電機(jī)控制參數(shù)減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法之一就是使勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩比磁阻轉(zhuǎn)矩大得多，從而使勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中起主要作用。下面嘗試用改變電樞電流和勵(lì)磁電壓這兩個(gè)控制參數(shù)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　1. 2. 1改變電樞電流減小相電流可明顯減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。此處定義轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為正半周平均轉(zhuǎn)矩與負(fù)半周平均轉(zhuǎn)矩之差比一周內(nèi)平均轉(zhuǎn)矩。圖2表明，當(dāng)電樞平均電流幅值I為7 A時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為43. 5 而當(dāng)I為5 A時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降為11. 8.這是因?yàn)闇p小相電流I平方按平方關(guān)系減小，使之減小幅度遠(yuǎn)大于T的減小幅度，從而使T遠(yuǎn)小于T ae，因此采用此方法可以有效地減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

　　1. 2. 2改變勵(lì)磁電壓由圖3可見(jiàn)，增大勵(lì)磁電壓U f，可明顯減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)， U 14 V時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為31. 6 而當(dāng)U矩脈動(dòng)下降為24. 0.由式( 2)知，勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩T正比于I而磁阻轉(zhuǎn)矩T不隨I的變化而變化，所以勵(lì)磁電壓U增大時(shí)，相應(yīng)地提高了I f，使輸出的勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩T相應(yīng)增大，而此時(shí)電樞電流保持不變，也保持不變，故T比在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中所占的份量增大，因此達(dá)到了減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。

　　1. 3雙拍工作方式轉(zhuǎn)矩分析單拍工作方式存在較大的換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，另外，由于電感特性中有約1 /3周期的電感值不變，決定了這種工作方式有約1 /3周期輸出轉(zhuǎn)矩為零，為進(jìn)一步改善雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，可采用雙拍工作方式。

　　南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)比較圖3～5可知，雙拍工作方式輸出轉(zhuǎn)矩比單拍工作方式約大兩倍，且不存在輸出轉(zhuǎn)矩為零的區(qū)間，這是由于雙拍工作方式任一時(shí)刻有兩相同時(shí)工作，輸出轉(zhuǎn)矩為兩相轉(zhuǎn)矩疊加。另外，由于兩相工作的對(duì)稱性，當(dāng)兩相輸出轉(zhuǎn)矩疊加時(shí)，這兩相的電流反向，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也反向，疊加時(shí)磁阻轉(zhuǎn)矩的作用可以抵消，有效地減小了換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

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