永磁同步電動機—永磁無刷直流電動機的轉矩波動

一、永磁無刷直流電動機的轉矩波動概述

忽略工藝影響，永磁無刷直流電動機的轉矩波動主要包括齒槽引起的齒槽轉矩、電流換向引起的轉矩波動、電磁因素引起的轉矩波動、電樞反應引起的轉矩波動。齒槽轉矩已在第五章討論，不再贅述。下面討論后三項轉矩波動。

1．電流換向引起的轉矩波動

無刷直流電動機每經過一個導通狀態(tài)，定子繞組中的電流就要進行一次換向，對電磁轉矩產生一定的影響。這種相電流換向引起的電磁轉矩波動稱為換向轉矩波動，后面將詳細討論。

2．電磁因素引起的轉矩波動

電磁因素引起的轉矩波動是由于定子電流和轉子磁場相互作用而產生的轉矩波動。由于磁極間漏磁的影響，永磁磁場的極弧寬度通常小于實際極弧寬度，因此在相繞組的一個導通狀態(tài)內，導通相繞組的所有導體并不總處于均勻磁場下，導致電磁轉矩波動的產生。

一般情況下，永磁無刷直流電動機的極弧寬度較大，電磁因素引起的電磁轉矩波動較小，有些情況下可以忽略。在電機設計時，一般取電機磁極的極弧系數(shù)盡量接近1，增加氣隙磁場的平頂寬度，以減小電磁轉矩波動。

3．電樞反應引起的轉矩波動

電樞反應對轉矩波動的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：①電樞反應使氣隙磁場發(fā)生畸變，畸變的磁場與定子相繞組電流相互作用，使電機的電磁轉矩隨定、轉子的相對位置的變化而波動；②相繞組剛剛導通時，電樞反應磁場去磁，每極磁通量減?。划斚嗬@組電流即將關斷時，電樞反應磁場助磁，每極磁通量增大，每極磁通量的這種快速變化也會引起電機轉矩的波動。為減小因電樞反應引起的轉矩波動，永磁體應設計為瓦片形或環(huán)形結構，也可將轉子磁路設計得較飽和，增大電樞反應磁場路徑的磁阻。

二、換向轉矩波動分析

對于換向引起的轉矩波動，諸多文獻進行了分析和論述。參考文獻〔 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矩波動為零。參考文獻［6 〕指出，即使控制不換向繞組的電流為恒定值，由于相感應電動勢波形斜邊的影響，同樣會產生換向轉矩波動。參考文獻［7 〕 、 「 8 〕指出，換向轉矩波動是換向時電機Y接繞組中性點電位突變造成的，可采用120 。導通區(qū)間內后600斬波的控制方法，以減小換向轉矩波動，并且推導出了斬波占空比的計算公式。參考文獻「 9 〕研究了4種PWM斬波模式對換向轉矩波動的影響，并給出各種模式下的最佳斬波占空比。參考文獻〔 5 〕一「 9 〕均以理想梯形波（平頂寬度為120 “電角度）相感應電動勢為例進行分析討論，但實際電機中由于永磁磁極的邊緣效應、齒槽結構以及電機繞組的連接方式等因素的影響，電機相繞組的感應電動勢并不是理想的梯形波，若以理想梯形波感應電動勢為基礎討論換向轉矩會帶來一定偏差。

目前，方波氣隙磁場的永磁無刷直流電動機應用十分廣泛，換向轉矩波動對電機的性能影響較大，因此，本節(jié)以兩相導通星形三相六狀態(tài)工作方式下的方波永磁無刷直流電動機為例分析換向轉矩波動。

1．永磁無刷直流電動機的換向轉矩分析

電機運行時，每個狀態(tài)有兩個運行區(qū)域：導通運行區(qū)域和換向運行區(qū)域。在導通運行區(qū)域內，定子繞組有兩相導通；在換向運行區(qū)域內，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，但時間很短。導通運行區(qū)域和換向運行區(qū)域出現(xiàn)的周期為600電角度。

2．換向轉矩波動產生的原因

在圖7一24 ( b）所示的換向過程中，b兩相構成續(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)流時間很短，可近似認為續(xù)流時間內相繞組感應電動勢不變。則由式（7一55）可求得續(xù)流回路的電流表達式為。

3．換向轉矩波動的影響因素

由上述分析可知，換向轉矩波動與相繞組旋轉電動勢波形、換向位置角和換向時刻的相電流初值有關，下面分別討論。

( 1）換向轉矩波動與相繞組旋轉電動勢波形的關系。

( 2）換向轉矩波動與換向位置角的關系。

( 3）換向時相繞組電流初值與換向轉矩波動的關系。

( 4）轉速對換向轉矩波動的影響

( 5）繞組電感對換向轉矩波動的影響