开关磁阻电机的转矩脉动抑制研究

陆晶颖，蒋 伟，陶明明

(扬州大学,扬州225127)

0 引 言

开关磁阻电机结构简单坚固,各相独立,可以长时间工作在恶劣环境下,适用于机床设备、电动汽车、煤矿工业等领域。然而其转矩脉动较大会引起噪声等问题,影响整机的运行性能,限制了开关磁阻电机的应用与发展[1-2]。本文利用有限元工具对一个四相8/6极的开关磁阻电机进行有限元分析,对转矩脉动产生的机理进行研究,介绍了一种新型的阶梯状励磁电流模式,研究该励磁电流模式的参考电流及励磁相重叠角度的参数对转矩脉动的影响[3-6]。对传统双相励磁模式及新型励磁电流模式进行实验,实验表明,本文所介绍的新型阶梯状的励磁电流模式可以降低开关磁阻电机的转矩脉动,通过调节参考电流及励磁相重叠角度的参数可获得最小转矩脉动。

1 转矩脉动产生的机理研究

1.1 有限元建模

基于Magnet的四相8/6极开关磁阻电机(以下简称SRM)的3D有限元模型及其网络剖分如图1所示。电机定子每极绕有线圈130匝,每相绕组由两个线圈串联而成,采用不对称半桥的拓扑结构。

图1 8/6极SRM有限元建模

1.2 转矩脉动产生的机理

SRM换相励磁的运行特性导致其转矩脉动大于其他种类电机。SRM在换相过程中,当前励磁相关断后不再产生电磁转矩,下一励磁相的电流不可以突变,所产生的电磁转矩有一个缓增的过程,即产生转矩脉动。当前励磁相相电流减小,下一励磁相相电流增大,当两相电流大小相等时,产生的转矩脉动最大。式(1)为SRM的电磁转矩的总体表达式,式(2)为任意相开关磁阻电机N相绕组上产生的力矩具体分段表达式,由电磁转矩公式可知,转矩和电流大小有关和电流方向无关,并和电流的平方、电感上升率成正比,其中K为与电机参数相关的常数。

式中:θ1～θ2为最小电感区间;θ2～θ3为电感上升区间;θ3～θ4为最大电感区间;θ4～θ5为电感下降区间。

SRM传统的励磁方式有3种:单相励磁、双相励磁和单双相混合励磁,其供电方式分别如下:A→B→C→D→E→A→;AB→BC→CD→DE→EA→AB→;A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A→。对这3种励磁模式进行有限元仿真,其转矩脉动特性如图2所示。

图2 3种传统励磁方案下的转矩特性曲线

单相励磁会产生较大的转矩降落,双相励磁则会产生较大的转矩冲击,单双混合励磁虽然综合了单相与双相励磁的优缺点,但是转矩脉动依然很大。

2 新型的励磁电流模式

综合上节所述的传统励磁方法下转矩脉动大的问题,提出如图3所示的新型的励磁电流模式。其中I2为额定电流,I1为I2成比例缩小的参考电流值,Δθ为励磁相重叠角,各相前二分之一的励磁相角度减少Δθ对应的励磁相电流值为I1,各相后二分之一的励磁相角度增大Δθ对应的励磁相电流值为I2。该励磁模式下的任一种开关磁阻电机第N相绕组上产生的力矩具体分段表达式电磁转矩如式(3)所示;其中C为I1相对于I2的比例。

I1=C·I20＜C＜1

Δθ为励磁相重叠角;θN1为第N相绕组最小电感的起始位置;θon为第N相绕组开通角;θoff为第N相绕组关断角。

图3 新型励磁电流模式

本文所述阶梯状励磁电流模式,通过阶梯状的电流减少双相励磁时重叠部分切向力的大小从而降低转矩冲击。根据式(4)进行切向力密度的计算:

对同一定转子位置的2种励磁方式下定转子中间气隙位置的切向电磁力进行计算,2种励磁模式下的磁力线分布及切向力密度分布情况如图4所示。从切向力密度的分布曲线可以看出,双相励磁模式产生较强的磁场,切向力的峰值超过前一个切向力的2倍多,导致转矩力冲击;阶梯状的电流励磁模式产生较弱的磁场,产生均匀的切向力,减小转矩冲击,降低转矩脉动。

取额定电流I2为5 A,对不同I1和Δθ进行有限元仿真,其转矩特性曲线如图5所示。任一种I1对应的转矩脉动都是随着Δθ增大先减小后增大,即每个I1值都能够对应一个Δθ,使得转矩脉动最小;I1取值不同,对应不同的Δθ可以得到最小ΔT。

对I2=5 A和I2=10 A 2种情况的不同Δθ,I1进行有限元仿真,其转矩脉动特性如图6所示。从图6的曲面可以找寻最优的励磁参数的区域,I2=5 A的最优励磁区间为I1=2 A,Δθ=0.7°范围附近,I2=10 A的最优励磁区间为I1=8 A,Δθ=0.4°范围附近。

图5 不同I1和Δθ的转矩特性

图6 不同Δθ,I1对应的转矩脉动特性

3 实验结果与分析

实验包括传统的双相励磁模式下转矩特性测试及新型阶梯状励磁电流模式下转矩特性的测试,对比2种励磁模式的转矩脉动区别。测试系统硬件平台如图7所示,包括:开关磁阻电机、驱动器、扭矩仪、光电编码器、伺服电机(负载)、伺服电机驱动器等,控制器选用TI公司的TMS320F28335,驱动电路由4个相同的驱动模块构成。

图7 实验平台

实验用扭矩仪(RK-060)量程为-200～+200 N·m,输出为0～10 V,即输出转矩为T=40Vout,转矩脉动为ΔT=40 Vpp,图8为传统的双相励磁模式和本文提出的新型阶梯状电流模式下转矩脉动特性实验结果。双相励磁模式下Vpp=127.6 mV,ΔT=5.104 N·m,阶梯状励磁电流模式下Vpp=51.4 mV,ΔT=2.056 N·m,新型阶梯状的电流模式下的转矩脉动小于双相励磁模式下的转矩脉动,验证了阶梯状励磁电流模式可以降低转矩脉动。

图8 双相励磁电流模式及阶梯状励磁电流模式下转矩脉动特性(截图)

4 结 语

本文研究了一种SRM的转矩脉动抑制方法,针对传统的双相励磁模式,提出了一种新型的阶梯状励磁电流模式,设计了该模式的参考电流及励磁相重叠角度的参数。实验表明,本文所介绍的新型阶梯状励磁电流模式可以降低SRM的转矩脉动,通过调节参考电流及励磁相重叠角度的参数可获得较小转矩脉动。未来研究计划通过转矩脉动前馈的方法动态调整励磁电流阶梯值和重叠值,达到当前功率等级下最优的转矩脉动抑制效果。

参考文献

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