開關磁阻電動機兩相同步勵磁與定子繞組模式研究

劉成堯，　潘再平

(1.浙江工業職業技術學院 電氣電子工程學院， 浙江 紹興　312000；

2.浙江大學 電氣工程學院， 浙江 杭州　310027)

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開關磁阻電動機兩相同步勵磁與定子繞組模式研究

劉成堯1,2，潘再平2

(1.浙江工業職業技術學院 電氣電子工程學院， 浙江 紹興312000；

2.浙江大學 電氣工程學院， 浙江 杭州310027)

摘要：以4/6極三相開關磁阻電動機和6/8極四相開關磁阻電動機為研究對象，分析了三相、四相開關磁阻電動機的繞組布置結構和相間連接方式對兩相同步勵磁下的磁場以及轉矩脈動和平均轉矩的影響，給出了8種典型組合模式下兩相同步勵磁工作的電動機轉矩特性，指出三相反向繞組、各相獨立連接模式，三相正向繞組、相間星形連接模式，四相反向繞組、各相獨立連接模式和四相反向繞組、相間星形連接模式下的兩相同步勵磁能夠降低轉矩脈動和提高平均轉矩。

關鍵詞：開關磁阻電動機； 兩相同步勵磁； 定子繞組； 平均轉矩； 轉矩脈動

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.1134.016.html

0引言

開關磁阻電動機(Switched Reluctance Motor，SRM)具有結構簡單、工作可靠、調速性能優越等特點，但由于是雙凸極結構，通常工作于磁飽和狀態以及采用開關形式供電，導致換相期間電動機轉矩脈動大，工作噪聲大。Ahn等[1]首先提出了SRM兩相同步勵磁(Two-Phase Excitation，TPE)的控制方案，利用兩相自感與互感的合理疊加實現對轉矩脈動的抑制和平均轉矩的提高[2]，并基于簡化的線性SRM模型，通過理論與實驗方法解釋了TPE能降低轉矩脈動的原因；Edrington等[3]利用實驗方法研究了TPE的動態建模；郭偉等[4-5]建立了TPE模式磁鏈和轉矩角模型；童懷[6]提出了TPE等效網絡靜態模型；高潔等[7-8]研究了TPE模式的功率拓撲結構。這些研究大大促進了TPE技術的發展，但目前關于電動機繞組模式對TPE工作特性影響的研究還較少[9]。本文以4/6極三相SRM和6/8極四相SRM為研究對象，系統地分析了三相、四相SRM的繞組布置結構、相間連接方式對TPE工作特性的影響。

1SRM繞組模式

SRM轉子無繞組，定子繞組方式分為正向繞組和反向繞組，定子的磁極用N和S表示，按順時針方向表述定子的磁極分布，正向繞組通電后產生的磁極為NS或SN，反相繞組通電后產生的磁極為NN或SS。根據相間的連接方式，可分為各相獨立連接和相間星形連接。

三相SRM繞組結構如圖1(a)所示，從3個定子引出A，B，C三相，其中a，a′，b，b′，c，c′分別表示電動機定子端的繞組抽頭，a和a′、b和b′、c和c′對應接入A，B，C相電源，A相電流從a流入、a′流出，可表示為電流沿aa′方向。四相SRM繞組結構如圖1(b)所示，從4個定子引出A，B，C，D四相，其中a，a′，b，b′，c，c′，d，d′分別表示電動機定子端的繞組抽頭，a和a′、b和b′、c和c′、d和d′對應接入A，B，C，D相電源。

(a)三相SRM繞組(b)四相SRM繞組

圖1三相、四相SRM繞組結構

2SRM繞組模式對TPE工作特性的影響

(1) 三相正向繞組、各相獨立連接模式。由于各相獨立連接，兩相同時勵磁的組合較多，設定固定電流流向以便于研究電動機磁場情況：① 電流沿aa′，b′b，cc′方向，可構成NSNSNS磁極分布，如圖2(a)所示，極間磁極分布一致，且互感強度大于自感，轉矩脈動較小，平均轉矩較大；② 電流沿aa′，bb′，cc′方向，可構成NNNSSS磁極分布，如圖2(b)所示，極間磁極分布不一致，存在NN(SS)，NS不同的磁極分布，轉矩脈動增大[6]。

(a)電流沿aa',b'b,cc'方向(b)電流沿aa',bb',cc'方向

圖2三相正向繞組、各相獨立連接模式的磁極分布

(2) 三相反向繞組、各相獨立連接模式。在各相獨立連接情況下，TPE的電流流向對SRM磁場影響極大，本文設定2種電流流向：① 電流沿aa′，bb′，cc′方向，可構成SSSSSS磁極分布，如圖3(a)所示，極間互感較弱，平均轉矩小；② 電流沿aa′，b′b，cc′方向，可構成NSNSNS磁極分布，如圖3(b)所示，極間磁極分布一致，互感較強，轉矩脈動抑制較好，平均轉矩較大。

(a)電流沿aa',bb',cc'方向(b)電流沿aa',b'b,cc'方向

圖3三相反向繞組、各相獨立連接模式的磁極分布

(3) 四相正向繞組、各相獨立連接模式。參考三相正向繞組、各相獨立連接模式的電流流向設定規則，設定四相正向繞組、各相獨立連接模式的2種電流流向：① 電流沿aa′，b′b，cc′，d′d方向，可構成NSNSSNSN磁極分布，如圖4(a)所示，極間磁極分布不一致，轉矩脈動較大；② 電流沿aa′，bb′，cc′，dd′方向，可構成NNNNSSSS磁極分布，如圖4(b)所示，極間磁極分布不一致，轉矩脈動較大。

(a)電流沿aa',b'b,cc',d'd方向(b)電流沿aa',bb',cc',dd'方向

圖4四相正向繞組、各相獨立連接模式的磁極分布

(4) 四相反向繞組、各相獨立連接模式。四相反向繞組與三相反向繞組類似，由于多了一相，可以通過合適的電流流向實現定子磁極的規則分布。按照aa′，b′b，cc′，d′d的電流流向，可構成NSNSNSNS磁極分布，如圖5所示，極間磁極為NS，極間互感較強，轉矩脈動較小，平均轉矩較大。

圖5　四相反向繞組、各相獨立連接模式的磁極分布

(5) 三相正向繞組、相間星形連接模式。將電動機定子繞組的a′，b，c′抽頭短接，a，b′，c抽頭外接三相電源，任意2個抽頭導通即可實現TPE工作。該模式下相電流導通順序及電流流向為aa′bb′，cc′bb′，cc′a′a，b′ba′a，b′bc′c，aa′c′c，可構成NSNSNS磁極分布，如圖6所示，極間磁極分布一致，互感較強，轉矩脈動較小，平均轉矩顯著變大。

圖6　三相正向繞組、相間星形連接模式的

(6) 三相反向繞組、相間星形連接模式。該模式下需要保持相鄰兩相電流反向以獲得極間磁極的一致性分布，采用與三相正向繞組、相間星形連接模式同樣的連接方式、相電流導通順序及電流流向，可構成NSNSNS磁極分布。由于反向繞組的自感強度大于互感，所以該模式下的轉矩脈動較三相正向繞組、相間星形連接模式下的轉矩脈動大，平均轉矩較小。

(7) 四相正向繞組、相間星形連接模式。將定子繞組的a′，b′，c′，d′抽頭短接，a，b，c，d抽頭外接四相電源，任意2個抽頭導通即可實現TPE工作。該模式下相電流導通順序及電流流向為aa′b′b，cc′b′b，cc′d′d，aa′d′d，可構成SNSNNSNS磁極分布，如圖7所示，極間磁極分布不一致，互感不一致，導致轉矩脈動較大。

(8) 四相反向繞組、相間星形連接模式。該模式下需要保持相鄰兩相電流反向以獲得極間磁極的一致性分布，采用與四相正向繞組、相間星形連接模式同樣的連接方式、相電流導通順序及電流流向，可構成NSNSNSNS磁極分布，如圖8所示，極間磁極分布一致，互感較強，轉矩脈動較小，平均轉矩顯著變大。

圖7　四相正向繞組、相間星形連接模式的

圖8　四相反向繞組、相間星形連接模式的

3結語

三相、四相SRM通過合適的繞組形式和相間連接方式能夠實現TPE有效工作，但由于繞組形式和相間連接方式的不同，導致TPE的轉矩脈動和平均轉矩不同。其中，三相反向繞組、各相獨立連接模式，三相正向繞組、相間星形連接模式，四相反向繞組、各相獨立連接模式和四相反向繞組、相間星形連接模式的TPE可以獲得較好的轉矩脈動抑制和較大的平均轉矩，為進一步研究基于TPE的SRM系統設計提供了參考。

參考文獻：

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[4]郭偉,詹瓊華,丘亦慧.一種新型兩相勵磁開關磁阻電機驅動系統的靜態特性[J].中國電機工程學報,2002,22(12):92-97.

[5]郭偉,趙爭鳴,詹瓊華.磁網絡模型在兩相激磁開關磁阻電機中的應用[J].電機與控制學報,2006,10(2):154-159.

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Research of two-phase excitation and stator winding mode of switched reluctance motor

LIU Chengyao1,2,PAN Zaiping2

(1.College of Electrical and Electric Engineering, Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing

312000, China; 2.College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract:The paper took 4/6 poles three-phase switched reluctance motor and 6/8 poles four-phase switched reluctance motor as study objects, analyzed influence of winding structure and phase connection way of three-phase and four-phase switched reluctance motor on magnetic field, torque ripple and average torque under two-phase excitation, gave motor torque characteristics of two-phase excitation under eight typical combination modes, and pointed that two-phase excitation under modes of three-phase reverse winding with independent connection of each phase, three-phase positive winding with star connection of each phase, four-phase reverse winding with independent connection of each phase and four-phase reverse winding with star connection of each phase could reduce torque ripple and improve average torque.

Key words:switched reluctance motor; two-phase excitation; stator winding; average torque; torque ripple

中圖分類號：TD614

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-04-05 11:34

文章編號：1671-251X(2016)04-0066-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.016

劉成堯，潘再平.開關磁阻電動機兩相同步勵磁與定子繞組模式研究[J].工礦自動化，2016,42(4)：66-69.