矢量控制的雙繞組磁阻電機電磁特性分析

宋桂英，趙曉明，魯 兵，劉笑笑

(河北工業大學，天津300130))

0 引 言

開關磁阻電機是隨著功率電子學和微電子學的飛速發展而出現的一種新型調速電機，由于其具有結構簡單、價格便宜、魯棒性好、高轉矩密度等眾多優點，從20世紀90年代以來，已被越來越多地應用于電動車輛、礦山、油田、紡織機械等工業部門的驅動系統［1－3］。由于具有較好的高速(超高速)性能和較強的容錯能力，使其在航空航天、高速離心機等環境惡劣且安全性要求很高的領域得到廣泛應用。然而相比于其它傳統電機，其高轉矩波動以及振動噪聲的問題也尤為突出，其應用場合受到了限制［4－5］。

為了減少磁阻電機的振動和噪聲，國內外研究人員主要從優化電機的幾何結構以及控制繞組電流波形等方面進行了大量研究［6－8］。然而無論是優化電機幾何尺寸還是控制電流波形，這些方法都是被動地減少磁阻電機的轉矩波動和噪聲，并沒有從根本上解決其由于凸極結構所產生的脈動電磁轉矩和噪聲的問題。

近年來，文獻［9－10］提出磁阻電機定子采用雙繞組的改進方案:電機定子采用兩套繞組即電樞繞組和勵磁繞組，電樞繞組采用正弦雙極電流供電，勵磁繞組直流供電。文獻［11］對雙繞組磁阻電機的電磁振動和噪聲進行了分析。本文采用矢量控制實現雙繞組電機電樞電流的正弦控制，同時對其轉矩波動進行了分析研究。與傳統開關磁阻電機相比，該新型繞組電機在轉矩輸出和波動控制方面也具有明顯的優勢。

1 雙繞組磁阻電機的構

雙繞組磁阻電機定子和轉子都是雙凸極結構，轉子上無任何繞組，是一種非永磁雙凸極電機。該電機采用集中繞組作為電樞繞組，纏繞在每個定子磁極上，直流勵磁繞組與電樞繞組同時嵌在定子槽內。文獻［10］的雙饋雙凸極電機盡管也是采用雙繞組，但是其只是在2個相對的定子槽內嵌放了直流勵磁繞組，使得各相的磁通路徑不相同，導致各相繞組的磁勢和磁鏈不對稱，從而引起高齒槽轉矩波動和轉矩波動，并引起高振動和噪聲。本文提出的雙繞組電機將直流繞組嵌放在每一個定子槽內，線性調節氣隙磁通密度，改善了電機的磁鏈，進而使得其轉矩波動和噪聲降低。圖1為該電機的結構圖和二維模型圖。

圖1 電機的結構和模型圖

2 雙繞組磁阻電機的控制

雙繞組磁阻電機的主電路拓撲如圖2所示，電樞繞組采用三相全橋逆變電路供電，三角形連接，勵磁繞組直流勵磁。

圖2 雙繞組磁阻電機的主電路圖

雙繞組磁阻電機控制系統采用空間矢量脈寬調制(以下簡稱SVPWM)技術。SVPWM技術通常采用固定采樣頻率，從而產生一個相對集中的頻譜。此外，它有著較低的開關損耗，易于在數字處理器中實現。這些優點使SVPWM技術廣泛用于永磁同步電機和感應電動機［12］中。圖3給出了Id=0時，雙繞組磁阻電機的矢量控制系統框圖。

圖3 Id=0雙繞組磁阻電機的矢量控制框圖

通過位置傳感器檢測出電機的轉子位置，計算得到電機實際轉速ω，將電機實際轉速ω與轉速給定值ω*做比較，經速度調節器輸出給定值，電流傳感器檢測的定子三相電流iA，iB，iC經坐標變換成d，q軸電流 id，iq，分別與給定值比較(=換及脈寬調制得到逆變器驅動信號驅動逆變器控制雙繞組磁阻電機運行。

3 雙繞組磁阻電機的電磁特性

為了分析雙繞組電機的電磁特性，有限元法對電機的電流、磁鏈和轉矩進行了仿真分析。實驗所用電機額定電壓48 V，功率70 W，表1給出了電機的主要參數。

表1 雙繞組磁阻電機的基本參數

3． 1 繞組電流

圖4給出的是雙繞組電機和傳統開關磁阻電機在一個電周期內的電流波形對比圖，圖4(a)是雙繞組磁阻電機相電流波形，圖4(b)為開關磁阻電機的相電流波形。雙繞組磁阻電機由正弦雙極性電流勵磁，采用矢量控制，電流波形更趨近于正弦，換相時，相電流變化平穩。

圖4 雙繞組磁阻電機與開關磁阻電機電流波形對比圖

3． 2 磁鏈

圖5為雙繞組磁阻電機和開關磁阻電機的磁鏈波形。雙繞組磁阻電機由于磁路對稱的且磁通路徑短，因此，三相磁鏈對稱;開關磁阻電機是單極性供電，磁鏈只存在正向，波形近似于三角形，因此諧波比重較大。圖6的諧波分布圖表明，雙繞組磁阻電機磁鏈的第8至第8階諧波分量比開關磁阻電機明顯減少。

圖5 雙繞組磁阻電機與開關磁阻電機電流波形對比圖

圖6 雙繞組磁阻電機與開關磁阻電機磁鏈諧波對比圖

3． 3 轉矩

基于能量轉換的原理，雙繞組磁阻電機每相(以A相為例)的電磁轉矩由磁共能來計算如下:

式中:為電樞電流ia和勵磁電流if所產生的磁鏈;La為A相自感。

式(1)計算的是瞬時電磁轉矩，可知轉矩與電流和磁鏈密切相關。圖7為在電流有效值相同(I=3 A)時雙繞組磁阻電機與開關磁阻電機瞬時電磁轉矩波形對比圖，雙繞組磁阻電機的轉矩波動明顯減小。雙繞組磁阻電機由三相雙極性橋式逆變電路供電，全周期出力，輸出轉矩高，圖8給出了2種電機的平均轉矩的對比圖。

圖7 雙繞組磁阻電機與開關磁阻電機轉矩波形對比圖

圖8 雙繞組磁阻電機與開關磁阻電機平均轉矩對比圖

4 結 語

雙繞組磁阻電機定子采用電樞繞組和勵磁繞組2套繞組。仿真實驗表明:同傳統開關磁阻電機相比，電樞繞組由正弦雙極性電流供電使得繞組電流變化平穩，不僅使得轉矩波動得到改善，也有利于減小電機的轉速波動和噪聲;同時雙極性電流全周期出力，提高了電機的輸出轉矩。

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