永磁同步電動(dòng)機(jī)—永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

一、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)概述

忽略工藝影響，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)主要包括齒槽引起的齒槽轉(zhuǎn)矩、電流換向引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。齒槽轉(zhuǎn)矩已在第五章討論，不再贅述。下面討論后三項(xiàng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

1．電流換向引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)每經(jīng)過(guò)一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)，定子繞組中的電流就要進(jìn)行一次換向，對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生一定的影響。這種相電流換向引起的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)稱為換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，后面將詳細(xì)討論。

2．電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是由于定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。由于磁極間漏磁的影響，永磁磁場(chǎng)的極弧寬度通常小于實(shí)際極弧寬度，因此在相繞組的一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)，導(dǎo)通相繞組的所有導(dǎo)體并不總處于均勻磁場(chǎng)下，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的產(chǎn)生。

一般情況下，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的極弧寬度較大，電磁因素引起的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，有些情況下可以忽略。在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般取電機(jī)磁極的極弧系數(shù)盡量接近1，增加氣隙磁場(chǎng)的平頂寬度，以減小電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

3．電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

電樞反應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，畸變的磁場(chǎng)與定子相繞組電流相互作用，使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置的變化而波動(dòng)；②相繞組剛剛導(dǎo)通時(shí)，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)去磁，每極磁通量減小；當(dāng)相繞組電流即將關(guān)斷時(shí)，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)助磁，每極磁通量增大，每極磁通量的這種快速變化也會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。為減小因電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，永磁體應(yīng)設(shè)計(jì)為瓦片形或環(huán)形結(jié)構(gòu)，也可將轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計(jì)得較飽和，增大電樞反應(yīng)磁場(chǎng)路徑的磁阻。

二、換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析

對(duì)于換向引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，諸多文獻(xiàn)進(jìn)行了分析和論述。參考文獻(xiàn)〔 5 〕采用電流滯環(huán)控制方式，使不換向繞組的電流不變，從而使換向引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為零。參考文獻(xiàn)［6 〕指出，即使控制不換向繞組的電流為恒定值，由于相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形斜邊的影響，同樣會(huì)產(chǎn)生換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。參考文獻(xiàn)［7 〕 、 「 8 〕指出，換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是換向時(shí)電機(jī)Y接繞組中性點(diǎn)電位突變?cè)斐傻?，可采?20 。導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)后600斬波的控制方法，以減小換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并且推導(dǎo)出了斬波占空比的計(jì)算公式。參考文獻(xiàn)「 9 〕研究了4種PWM斬波模式對(duì)換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，并給出各種模式下的最佳斬波占空比。參考文獻(xiàn)〔 5 〕一「 9 〕均以理想梯形波（平頂寬度為120 “電角度）相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為例進(jìn)行分析討論，但實(shí)際電機(jī)中由于永磁磁極的邊緣效應(yīng)、齒槽結(jié)構(gòu)以及電機(jī)繞組的連接方式等因素的影響，電機(jī)相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并不是理想的梯形波，若以理想梯形波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為基礎(chǔ)討論換向轉(zhuǎn)矩會(huì)帶來(lái)一定偏差。

目前，方波氣隙磁場(chǎng)的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用十分廣泛，換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)電機(jī)的性能影響較大，因此，本節(jié)以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作方式下的方波永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例分析換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

1．永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換向轉(zhuǎn)矩分析

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)狀態(tài)有兩個(gè)運(yùn)行區(qū)域：導(dǎo)通運(yùn)行區(qū)域和換向運(yùn)行區(qū)域。在導(dǎo)通運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，定子繞組有兩相導(dǎo)通；在換向運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，三相定子繞組（電流上升相、電流衰減相、不換向相）中都有電流，但時(shí)間很短。導(dǎo)通運(yùn)行區(qū)域和換向運(yùn)行區(qū)域出現(xiàn)的周期為600電角度。

2．換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生的原因

在圖7一24 ( b）所示的換向過(guò)程中，b兩相構(gòu)成續(xù)流回路，回路電流與b相繞組的續(xù)山Pa流電流相等。由于續(xù)流時(shí)間很短，可近似認(rèn)為續(xù)流時(shí)間內(nèi)相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不變。則由式（7一55）可求得續(xù)流回路的電流表達(dá)式為。

3．換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響因素

由上述分析可知，換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與相繞組旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)波形、換向位置角和換向時(shí)刻的相電流初值有關(guān)，下面分別討論。

( 1）換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與相繞組旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)波形的關(guān)系。

( 2）換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與換向位置角的關(guān)系。

( 3）換向時(shí)相繞組電流初值與換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的關(guān)系。

( 4）轉(zhuǎn)速對(duì)換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響

( 5）繞組電感對(duì)換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響