陸晶穎，蔣 偉，陶明明

(揚(yáng)州大學(xué),揚(yáng)州225127)

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單堅固,各相獨(dú)立,可以長時間工作在惡劣環(huán)境下,適用于機(jī)床設(shè)備、電動汽車、煤礦工業(yè)等領(lǐng)域。然而其轉(zhuǎn)矩脈動較大會引起噪聲等問題,影響整機(jī)的運(yùn)行性能,限制了開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)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(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行有限元分析,對轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)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(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動,通過調(diào)節(jié)參考電流及勵磁相重疊角度的參數(shù)可獲得最小轉(zhuǎn)矩脈動。

1 轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的機(jī)理研究

1.1 有限元建模

基于Magnet的四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡稱SRM)的3D有限元模型及其網(wǎng)絡(luò)剖分如圖1所示。電機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 8/6極SRM有限元建模

1.2 轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的機(jī)理

SRM換相勵磁的運(yùn)行特性導(dǎo)致其轉(zhuǎn)矩脈動大于其他種類電機(jī)。SRM在換相過程中,當(dāng)前勵磁相關(guān)斷后不再產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,下一勵磁相的電流不可以突變,所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩有一個緩增的過程,即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。當(dāng)前勵磁相相電流減小,下一勵磁相相電流增大,當(dāng)兩相電流大小相等時,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動最大。式(1)為SRM的電磁轉(zhuǎn)矩的總體表達(dá)式,式(2)為任意相開關(guān)磁阻電機(jī)N相繞組上產(chǎn)生的力矩具體分段表達(dá)式,由電磁轉(zhuǎn)矩公式可知,轉(zhuǎn)矩和電流大小有關(guān)和電流方向無關(guān),并和電流的平方、電感上升率成正比,其中K為與電機(jī)參數(shù)相關(guān)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(jìn)行有限元仿真,其轉(zhuǎn)矩脈動特性如圖2所示。

圖2 3種傳統(tǒng)勵磁方案下的轉(zhuǎn)矩特性曲線

單相勵磁會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩降落,雙相勵磁則會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)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(diǎn),但是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)的勵磁相電流值為I2。該勵磁模式下的任一種開關(guān)磁阻電機(jī)第N相繞組上產(chǎn)生的力矩具體分段表達(dá)式電磁轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)矩沖擊。根據(jù)式(4)進(jìn)行切向力密度的計算:

對同一定轉(zhuǎn)子位置的2種勵磁方式下定轉(zhuǎn)子中間氣隙位置的切向電磁力進(jìn)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(chǎn)生較強(qiáng)的磁場,切向力的峰值超過前一個切向力的2倍多,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩力沖擊;階梯狀的電流勵磁模式產(chǎn)生較弱的磁場,產(chǎn)生均勻的切向力,減小轉(zhuǎn)矩沖擊,降低轉(zhuǎn)矩脈動。

取額定電流I2為5 A,對不同I1和Δθ進(jìn)行有限元仿真,其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖5所示。任一種I1對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩脈動都是隨著Δθ增大先減小后增大,即每個I1值都能夠?qū)?yīng)一個Δθ,使得轉(zhuǎn)矩脈動最小;I1取值不同,對應(yīng)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(jìn)行有限元仿真,其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩特性

圖6 不同Δθ,I1對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩脈動特性

3 實驗結(jié)果與分析

實驗包括傳統(tǒng)的雙相勵磁模式下轉(zhuǎn)矩特性測試及新型階梯狀勵磁電流模式下轉(zhuǎn)矩特性的測試,對比2種勵磁模式的轉(zhuǎn)矩脈動區(qū)別。測試系統(tǒng)硬件平臺如圖7所示,包括:開關(guān)磁阻電機(jī)、驅(qū)動器、扭矩儀、光電編碼器、伺服電機(jī)(負(fù)載)、伺服電機(jī)驅(qū)動器等,控制器選用TI公司的TMS320F28335,驅(qū)動電路由4個相同的驅(qū)動模塊構(gòu)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(zhuǎn)矩為T=40Vout,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動特性實驗結(jié)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(zhuǎn)矩脈動小于雙相勵磁模式下的轉(zhuǎn)矩脈動,驗證了階梯狀勵磁電流模式可以降低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動特性(截圖)

4 結(jié) 語

本文研究了一種SRM的轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)矩脈動,通過調(diào)節(jié)參考電流及勵磁相重疊角度的參數(shù)可獲得較小轉(zhuǎn)矩脈動。未來研究計劃通過轉(zhuǎn)矩脈動前饋的方法動態(tài)調(diào)整勵磁電流階梯值和重疊值,達(dá)到當(dāng)前功率等級下最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果。

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