朱曰瑩，趙成文，劉成強(qiáng)

(1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 山東時(shí)風(fēng)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，聊城 252800)

在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)靜態(tài)參數(shù)中，電感是影響電機(jī)運(yùn)行特性的重要參數(shù)，因此電感參數(shù)的獲得對(duì)電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)都具有十分重要的意義．綜合考慮電機(jī)性能及成本因素，兩相同步運(yùn)行方式有利于提高電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩密度，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，因此使轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，減小電機(jī)振動(dòng)[1-3]．目前，很多文獻(xiàn)針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)兩相勵(lì)磁進(jìn)行了相關(guān)研究，童懷[4]通過(guò)建立開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的等效磁網(wǎng)絡(luò)模型，分析了兩相勵(lì)磁控制策略的穩(wěn)態(tài)特性．郭偉等[5]基于數(shù)值分析結(jié)果建立了兩相勵(lì)磁模式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)簡(jiǎn)化線性模型，得到了其矩角特性，并提出了一種針對(duì)該模式電機(jī)的優(yōu)化控制策略．但上述同步勵(lì)磁模式研究成果均針對(duì)的是三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)．高潔等[6]研究了四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由磁鏈交互引起的互感耦合及飽和效應(yīng)，從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度分析了長(zhǎng)短磁路靜態(tài)性能與相電流和轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系．曲兵妮等[7]建立了互感計(jì)算模型，采用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)取了四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的自感特性和互感特性，并分析了互感的變化規(guī)律和對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響．但是，以上研究均是在傳統(tǒng)單相勵(lì)磁模式繞組布置基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其兩相同步勵(lì)磁工作區(qū)間是由于相鄰兩相間開(kāi)關(guān)角的重疊而形成的．作者在前期研究中通過(guò)改變電機(jī)繞組繞線方式，提出了一種針對(duì)四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁模式[8]，該模式的電機(jī)能消除傳統(tǒng)單相繞線方式下兩相同步勵(lì)磁引起的磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)．但沒(méi)有進(jìn)一步分析電感特性及電感特性對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響．

為了深入研究?jī)上嗤綄?duì)稱(chēng)勵(lì)磁模式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)自感及互感特性，本文利用靜態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析方法，分別對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)單相勵(lì)磁及兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁條件下不同轉(zhuǎn)子位置及電流下的自感及互感的特性進(jìn)行了研究．結(jié)合電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，研究自感特性和互感特性隨勵(lì)磁方式、轉(zhuǎn)子位置和相電流的變化規(guī)律，并將兩種勵(lì)磁模式下的自感及互感特性進(jìn)行對(duì)比，分析在兩種方式下各參數(shù)的差異規(guī)律特性．與單相勵(lì)磁模式時(shí)兩相轉(zhuǎn)矩之和相對(duì)比，分析并得到了互感對(duì)于兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁模式下轉(zhuǎn)矩特性的影響規(guī)律，而且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文對(duì)兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁模式下開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電感特性分析的有效性．

1 靜態(tài)磁場(chǎng)分析數(shù)學(xué)模型

由于磁場(chǎng)隨轉(zhuǎn)子位置和電流的變化而時(shí)刻變化，因此建立準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)模型比較困難．目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電磁模型的建立方法進(jìn)行了大量的研究，主要方法有函數(shù)解析方法[9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[10]、實(shí)驗(yàn)方法或者有限元分析方法(FEM)[11]等．同時(shí)，二維有限元計(jì)算效率非常高，所以采用全場(chǎng)域作為解析區(qū)域．由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)繞組區(qū)域內(nèi)電流的存在，因此選擇矢量磁位法進(jìn)行求解[12]．

為了確立開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的微分方程，完成求解區(qū)域和求解邊界條件的設(shè)置，在充分保證有限元分析準(zhǔn)確性的前提下，進(jìn)行如下假設(shè)：忽略電機(jī)端部效應(yīng)，磁場(chǎng)沿軸向呈均勻分布；繞組區(qū)域內(nèi)電流分布均勻；忽略磁滯和渦流效應(yīng)的影響；定子的外部邊界設(shè)置為零磁場(chǎng)邊界．

對(duì)選定求解區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)的求解基本方程[13]為

式中：H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；J為電流密度，A/m2；B為磁通密度，T；μ為材料的磁導(dǎo)率，H/m．

因?yàn)榍蠼鈪^(qū)域內(nèi)存在電流，所以引入矢量磁位A：

由以上分析可知，由 A描述的場(chǎng)方程為線性泊松方程．根據(jù)前面的假設(shè)，定子外部邊界面為零矢量磁位線，針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)全場(chǎng)域二維平面磁場(chǎng)，可以得到邊界條件下 A的 z軸軸向分量Az的泊松方程為

式中：Γ1為定子外圓周；Jz為電流密度的z軸軸向分量．

2 傳統(tǒng)勵(lì)磁方式與新型勵(lì)磁方式有限元模型建立

基于ANSYS的靜態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算功能對(duì)四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行二維有限元分析，對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電感進(jìn)行參數(shù)計(jì)算．本文樣機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表 1．

表1 樣機(jī)參數(shù)Tab. 1 Parameters of SRM

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電感特性與轉(zhuǎn)子的位置角度及電流呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，所以分析過(guò)程中對(duì)角度的定義是非常有必要的．對(duì)于單相勵(lì)磁狀態(tài)下，將轉(zhuǎn)子極中心線定子極中心線相重合時(shí)的位置角度，即磁阻最小位置定義為 30°；將轉(zhuǎn)子極間中心線與定子極中心線重合時(shí)的位置角度，即磁阻最大位置定義為 0°．對(duì)于兩相勵(lì)磁狀態(tài)，將兩定子極間中心線與兩轉(zhuǎn)子極間中心線重合時(shí)的位置定義為 30°；將兩定子極間中心線與轉(zhuǎn)子極中心線重合時(shí)的位置定義為 0°．圖 1為兩種勵(lì)磁方式下的磁阻最小位置示意圖，經(jīng)簡(jiǎn)單分析可知：兩相同步勵(lì)磁的角度定義與傳統(tǒng)單相勵(lì)磁相比偏移了 7.5°．

圖1 兩種勵(lì)磁狀態(tài)下的磁阻最小位置Fig. 1 Minimal reluctance position

雖然開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理與電流方向無(wú)關(guān)，但是其與線圈的繞相及連接方式有密切的關(guān)系[14]．傳統(tǒng)的勵(lì)磁繞組繞線方式如圖 2(a)所示，連接方式多為串聯(lián)．若在此繞線方式下進(jìn)行兩相勵(lì)磁，AB、CB、CD勵(lì)磁時(shí)磁場(chǎng)是處于長(zhǎng)磁路狀態(tài)，而 AD勵(lì)磁時(shí)，磁場(chǎng)為短磁路狀態(tài)，這種不對(duì)稱(chēng)的勵(lì)磁方式勢(shì)必導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的增加，不利于提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能．為解決兩相勵(lì)磁時(shí)磁路不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題，本課題組[8]在前期研究中提出了一種兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁的繞線方式，繞線方向如圖 2(b)所示，連接方式為串聯(lián)連接，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，每?jī)上鄤?lì)磁時(shí)的磁場(chǎng)分布方式均相同，從而大大提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性．

圖2 兩種勵(lì)磁狀態(tài)下的繞線方式Fig. 2 Wire running mode

不論是單相勵(lì)磁還是兩相勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期所轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度均為 60°，根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，只需計(jì)算 0°～30°的范圍即可．在綜合考慮計(jì)算準(zhǔn)確性與計(jì)算效率的前提下，選擇角度步長(zhǎng)為 2°．在施加勵(lì)磁電流載荷方面，根據(jù)電機(jī)的性能特性，選擇電流變化區(qū)間為 5～70A，步長(zhǎng)為 5A．轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，在所有繞組電流值條件下進(jìn)行二維有限元靜態(tài)磁場(chǎng)仿真計(jì)算，即可得到開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在各條件下的電感特性．

3 自感及互感特性

3.1 傳統(tǒng)單相勵(lì)磁方式下自感及互感特性

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)單相勵(lì)磁條件下的自感及互感的特性如圖3所示．其中，圖3(a)為自感與轉(zhuǎn)子位置及電流的非線性特性曲線，圖 3(b)為不同轉(zhuǎn)子位置及電流條件下的互感特性．由圖 3(a)可以看出：當(dāng)定子極中心線與轉(zhuǎn)子極間中心線重合，即 0°時(shí)，由于此時(shí)氣隙磁阻最大，故自感最小；當(dāng)定子極中心線與轉(zhuǎn)子極中心線重合，即 30°時(shí)，此時(shí)氣隙磁阻最小，故自感最大；由于轉(zhuǎn)子極弧比定子極弧稍大一些，所以在定轉(zhuǎn)子重合的這一定角度內(nèi)，自感基本保持最大值．

圖3 單相勵(lì)磁狀態(tài)下自感與互感特性Fig. 3 Self-inductance and mutual inductance characteristic in single-phase excitation

另外，在 0～20A 的電流變化區(qū)間內(nèi)，自感隨轉(zhuǎn)子位置角度變化的曲線基本是重合的，此范圍內(nèi)，自感與電流無(wú)關(guān)．隨著電流的逐漸增大，自感逐漸減小，這正是磁路飽和的影響結(jié)果．

文獻(xiàn)[5-6]提到，單相勵(lì)磁狀態(tài)下，由于通電定子極位于相對(duì)的位置，可以忽略互感的影響．為了驗(yàn)證此結(jié)論，本文將得到的有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行量化對(duì)比，如圖 4所示．選取了 6組有代表性的數(shù)據(jù)，包括30°、24°、20°、16°、10°和 0°．通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)在電流較小時(shí)，互感相對(duì)自感比例較大，特別是在定子極中心線與轉(zhuǎn)子極中心線重合及其附近角度范圍之內(nèi)，相對(duì)比例最大約為 12%．因此，在電流較小、轉(zhuǎn)子位置與定子位置出現(xiàn)重合區(qū)域較大時(shí)，互感較大，不能忽略．

(2)在電流較大時(shí)，互感相對(duì)自感比例逐漸減小，最后維持在 1%左右，這種情況下，互感非常小，可以忽略．

(3)隨著轉(zhuǎn)子位置角度的逐漸減小，即定子極與轉(zhuǎn)子極重合面越來(lái)越小，互感所占比例越來(lái)越?。?/p>

圖4 單相勵(lì)磁狀態(tài)下互感與自感比值Fig. 4 Mutual inductance/self-inductance in single-phase excitation

3.2 新型勵(lì)磁方式下自感及互感特性

在相鄰兩相同時(shí)勵(lì)磁時(shí)，磁場(chǎng)分布情況與單相勵(lì)磁時(shí)相比有較大的變化，兩相產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互耦合和飽和效應(yīng)，使得每相磁鏈大小、定轉(zhuǎn)子軛部磁場(chǎng)飽和程度與單相勵(lì)磁時(shí)有較大的差別，兩相的自感曲線會(huì)與單相勵(lì)磁時(shí)的自感曲線不同，兩相間的互感也不是像單相勵(lì)磁狀態(tài)下那樣小，并且不能夠被忽略．

為了研究?jī)上鄤?lì)磁時(shí)的磁場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì) A、D兩相勵(lì)磁條件下自感與互感的特性規(guī)律進(jìn)行研究，此時(shí)忽略了每相內(nèi)部相對(duì)線圈的互感影響，只考慮兩相繞組之間的互感．圖 5(a)為兩相勵(lì)磁狀態(tài)下 A相自感與轉(zhuǎn)子位置及電流的非線性特性曲線，圖 5(b)為相應(yīng)的D相自感曲線．同樣地，不同轉(zhuǎn)子位置及電流條件下的互感特性也以曲線的形式進(jìn)行了描述，如圖6所示．

圖5 兩相勵(lì)磁狀態(tài)下自感特性Fig. 5 Self-inductance characteristic in double-phase excitation

圖6 兩相勵(lì)磁狀態(tài)下互感特性Fig. 6 Mutual inductance characteristic in double-phase excitation

分析圖5、圖6曲線可以得到兩相勵(lì)磁狀態(tài)下電感特性及規(guī)律：

(1)A相的自感先減小到最小值，然后隨著轉(zhuǎn)子位置增大而逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置達(dá)到 32.5°～37.5°區(qū)間，自感達(dá)到最大值，隨后自感逐漸減?。?dāng)電流較大時(shí)，自感的最大值出現(xiàn)在37.5°左右，此時(shí)自感曲線近似對(duì)稱(chēng)，與單相勵(lì)磁時(shí)自感曲線相似．然而，當(dāng)電流較小時(shí)，電感最大值出現(xiàn)在32.5°左右，與大電流時(shí)相差約為5°，且此時(shí)自感曲線呈不對(duì)稱(chēng)分布趨勢(shì)．

(2)D相自感的變化曲線與 A相自感呈軸對(duì)稱(chēng)關(guān)系．與 A 相自感相似，由于互感的影響，自感最大值出現(xiàn)的位置角度隨著電流的不同而不同，電流為5A和70A兩種情況下位置角度相差5°左右．

(3)互感的最大值出現(xiàn)在 30°且電流為 5A 時(shí)，隨著電流的增大，最大互感值從 2.0mH降至0.125mH．同時(shí)，在大電流時(shí)的互感值較小，因?yàn)榇藭r(shí)的磁鏈處于飽和狀態(tài)．

為了反映兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁模式A、D兩相的相位關(guān)系，本文將5A和70A條件下，兩相自感曲線及其定轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了描述，如圖7所示．

圖7 A、D兩相的相位關(guān)系Fig. 7 Phase relationship between A and D

分析圖7中不同電流條件下A、D兩相的相位關(guān)系可知：

(1)相同電流下 A、D 兩相自感數(shù)值相等的相位點(diǎn)分別出現(xiàn)在 0°和 30°，這是由于在該角度時(shí) A、D兩相定子與轉(zhuǎn)子位置是完全對(duì)稱(chēng)的．

(2)當(dāng)電流變化時(shí)，A、D兩相自感曲線交點(diǎn)始終出現(xiàn)在0°和30°．這一規(guī)律可以在兩相同步勵(lì)磁無(wú)位置控制中用來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子角度位置．

圖8為量化的電機(jī)A、D兩相互感與自感的比值曲線．其中分別選擇了 5、20、35、50、65A 這 5組數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比值曲線的對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)電流較小時(shí)，互感相對(duì)自感比例較大，特別是在兩相勵(lì)磁的穩(wěn)定平衡位置(30°)及其附近角度范圍之內(nèi)，相對(duì)比例達(dá)到最大值，接近 70%，因?yàn)樵?0°平衡位置附近，互感值增長(zhǎng)的比例較大．即便是在角度很小的位置，互感相對(duì)自感的比例也達(dá)到10%左右，較單相勵(lì)磁時(shí)也較大，所以在電流較小的時(shí)刻，互感的影響必須予以考慮．

(2)電流為65A時(shí)，互感相對(duì)自感比例最大值約為 20%，最小值在 7%左右，此時(shí)互感應(yīng)予以適當(dāng)考慮．

(3)電流較小時(shí)，比例曲線接近重合，這是因?yàn)榇藭r(shí)互感隨電流變化很?。@與圖 6中互感曲線變化趨勢(shì)相一致．

(4)電流較大時(shí)，由于互感耦合、飽和效應(yīng)的影響，比例曲線會(huì)出現(xiàn)一些波動(dòng)，不如小電流時(shí)那樣規(guī)律．

(5)兩相勵(lì)磁條件下互感的影響規(guī)律可總結(jié)為：大電流磁路飽和條件下互感影響較小，而小電流磁路非飽和條件下互感影響較大．

圖8 兩相勵(lì)磁狀態(tài)下互感與自感比值Fig. 8 Mutual inductance/self-inductance in double-phase excitation

3.3 兩種勵(lì)磁方式自感及互感特性對(duì)比分析

為了反映兩種不同勵(lì)磁方式下的自感、互感的數(shù)值關(guān)系，分別定義自感與互感比例系數(shù)的表達(dá)式：

式中：LD(i，θ)為兩相勵(lì)磁方式下自感；LS(i，θ)為單相勵(lì)磁方式下自感；MD(i，θ)為兩相勵(lì)磁方式下互感；MS(i，θ)為單相勵(lì)磁方式下互感．

分別選取電流為 5、20、35、50、65A 這 5組數(shù)據(jù)，計(jì)算自感比例系數(shù)與互感比例系數(shù)，將其以曲線的形式表示，如圖9所示．

結(jié)合上文中對(duì)兩相勵(lì)磁方式下自感與互感特性、單相勵(lì)磁自感與互感特性的分析，再根據(jù)圖9中得到的不同電流、不同角度下的自感與互感比例曲線，可以得到兩種不同勵(lì)磁方式下的自感與互感差異規(guī)律：

(1)隨著角度的增加，自感比例系數(shù)從 3.5左右逐漸減小到 1.5左右，說(shuō)明角度越小，兩相勵(lì)磁方式下自感對(duì)應(yīng)單相勵(lì)磁方式下自感的比例越大，二者的差異越大．

(2)在小電流條件下，自感比例系數(shù)變化不均勻，受轉(zhuǎn)子位置角度影響較大；而較大電流條件下，受角度影響小，自感比例系數(shù)為一單調(diào)遞減函數(shù)．

(3)互感比例系數(shù)數(shù)值較大，這反映出兩相勵(lì)磁方式下較單相勵(lì)磁，互感特別大，不能忽略．

(4)在大電流且轉(zhuǎn)子位置較大時(shí)刻，互感比例系數(shù)達(dá)到 70以上，這是由于在這種條件下單相勵(lì)磁所產(chǎn)生的互感非常的小，接近于 0，因此這個(gè)時(shí)候得到的互感比例系數(shù)就會(huì)非常大．

(5)雖然兩個(gè)比例系數(shù)都是大于 1的，即兩相勵(lì)磁方式的互感和自感都比單相勵(lì)磁要大，但是互感比例系數(shù)遠(yuǎn)大于自感比例系數(shù)．這說(shuō)明在相同的轉(zhuǎn)子位置角度和電流下，兩相勵(lì)磁互感數(shù)值增加的更多，影響也更大．

圖9 不同電流下的自感比例系數(shù)與互感比例系數(shù)Fig. 9 Self-inductance & mutual inductance ratio coefficient in different currents

3.4 新型勵(lì)磁方式電感對(duì)轉(zhuǎn)矩特性的影響

兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁方式有利于提高平均轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)．與傳統(tǒng)單相勵(lì)磁相比，兩相勵(lì)磁互感耦合非常明顯，且呈現(xiàn)高度非線性特點(diǎn)，互感特性對(duì)轉(zhuǎn)矩輸出會(huì)產(chǎn)生一定的影響．因此，本文研究了不同電流條件下轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子角度變化曲線，如圖 10所示．其中，曲線分別為20A和60A時(shí)兩相勵(lì)磁模式轉(zhuǎn)矩與單相勵(lì)磁模式兩相轉(zhuǎn)矩之和．

圖10 兩相勵(lì)磁模式轉(zhuǎn)矩特性Fig. 10 Torque performance in symmetrical two-phase excitation mode

分析圖 10曲線可知：由于互感的影響，兩相勵(lì)磁模式的轉(zhuǎn)矩并不是簡(jiǎn)單地將單相勵(lì)磁時(shí)兩相轉(zhuǎn)矩相加．0°～15°時(shí)，單相勵(lì)磁的兩相轉(zhuǎn)矩之和大于兩相勵(lì)磁的轉(zhuǎn)矩，電流為 60A時(shí)，二者的最大差值約為4N·m．而 15°～30°時(shí)，兩相勵(lì)磁模式的轉(zhuǎn)矩較大，最大差值則達(dá)到 8N·m．由于本文采用兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁的繞線方式，相鄰兩相磁場(chǎng)均處于短磁路狀態(tài)，互感均為正值，對(duì)磁場(chǎng)有促進(jìn)作用，所以在特定條件下會(huì)出現(xiàn)兩相勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩大于單相勵(lì)磁時(shí)兩相的轉(zhuǎn)矩之和．另外，由于互感影響，相同電流條件下靜態(tài)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值隨著位置角度的變化波動(dòng)較明顯，這從另一方面說(shuō)明兩相同步勵(lì)磁模式在提高轉(zhuǎn)矩同時(shí)也會(huì)引起靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)．因此，以抑制兩相同步勵(lì)磁模式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為目的的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是亟需開(kāi)展的研究工作．

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文數(shù)值分析計(jì)算的有效性，搭建開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電感測(cè)試平臺(tái)，圖 11為測(cè)試裝置實(shí)物圖，主要包括機(jī)械鎖緊裝置、電子角度測(cè)試儀、可編程電源、電流傳感器、示波器、SRM 等．利用機(jī)械鎖緊裝置和電子角度測(cè)試儀，將電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖緊到設(shè)定好的角度位置，通過(guò)可編碼電源對(duì)電機(jī)樣機(jī)繞組兩端施加低壓脈沖電壓，在示波器上采集到瞬時(shí)電壓和電流數(shù)值．將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Matlab中進(jìn)行整理計(jì)算，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈特性曲線，可推導(dǎo)得到不同電流和角度條件下的兩相勵(lì)磁自感特性曲線，如圖12所示．每個(gè)角度實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，斷開(kāi)電源，繞組通過(guò)續(xù)流二極管進(jìn)行放電．

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig. 11 Experimental set-up

圖12 電感特性曲線Fig. 12 Inductance performance curves

由圖 12可以看出：得到的兩相勵(lì)磁模式下電感特性曲線與有限元分析方法得到的曲線在大部分電流條件下非常一致，驗(yàn)證了通過(guò)有限元分析方法對(duì)兩相同步勵(lì)磁模式電感特性規(guī)律的分析結(jié)果；在小電流條件下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的電感數(shù)據(jù)與有限元方法獲得的數(shù)據(jù)間存在一定偏差，而且角度越大，偏差也越大．這主要是因?yàn)?，在?shí)驗(yàn)的起始階段，電流迅速增大，累計(jì)采樣點(diǎn)較少；另一方面，在電流較小時(shí)，鉗形電流感應(yīng)器的測(cè)試誤差相對(duì)較大，這也是導(dǎo)致該階段測(cè)量精度不高的原因．而在電流相對(duì)較大時(shí)，電流感應(yīng)器測(cè)量精度相對(duì)較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確；同時(shí)，在計(jì)算過(guò)程中數(shù)值積分運(yùn)算結(jié)果累加，使初始計(jì)算誤差的作用逐漸減小，從而計(jì)算精度越來(lái)越高．

另外，自感、互感的數(shù)據(jù)均來(lái)自于磁鏈特性的檢測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的磁鏈數(shù)據(jù)可以間接計(jì)算出電機(jī)的自感和互感．圖 12說(shuō)明了有限元分析方法和實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算得到的自感數(shù)據(jù)的一致性，證明了有限元分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性．另一方面，間接說(shuō)明了本文分析得到互感特性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性．

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)單相勵(lì)磁方式和兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁方式自感及互感特性進(jìn)行研究，得到了兩種方式下電感參數(shù)的特性規(guī)律：?jiǎn)蜗鄤?lì)磁時(shí)，在電流較小、轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)位置重疊區(qū)域較大時(shí)，互感不能忽略；兩相勵(lì)磁時(shí)，互感影響較大，不可忽略．由于互感的影響，兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁最大自感值出現(xiàn)的角度位置隨著電流的不同而不同，最多相差約為 5°．在兩相同步對(duì)稱(chēng)勵(lì)磁模式下，A、D兩相自感曲線交點(diǎn)始終出現(xiàn)在0°和30°．這一規(guī)律可以在兩相同步勵(lì)磁無(wú)位置控制中用來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子角度位置．由于互感的影響，兩相同步勵(lì)磁模式在特定條件下，使轉(zhuǎn)矩得到顯著提升．