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第 6 章 HEDS 电机转矩脉动分析与抑制策略研究 第6章 HEDS 电机转矩脉动分析与抑制策略研究 HEDS 电机在结构上与DSPM 电机相似，永磁体位于定子，转子结构简单，既无永磁体，又无 励磁绕组，具有转动惯量小、动态响应快，适合高速运行等特点。但是，由于 HEDS 电机定、转子 均呈双凸极，电机在运行时存在较大的转矩脉动。而转矩脉动是电机振动、噪声以及速度波动的根 源，也是衡量电机稳态性能的重要指标之一。HEDS 电机和DSPM 电机存在的转矩脉动问题，在一 定程度上也限制了这类新型定子永磁型双凸极电机的实际推广和应用[99, 100]，因此研究 HEDS 电机 的转矩脉动，提出抑制或减小电机转矩脉动的策略，具有十分重要的意义。本章将对HEDS 电机的 转矩各分量以及转矩脉动原因进行分析，针对直槽和斜槽转子不同的结构特点，分别提出了谐波电 流注入法和电流矢量控制法，以减小电机的转矩脉动。在理论分析的基础上进行了仿真研究，理论 和仿真研究均表明，两种控制策略均能有效降低电机的转矩脉动。 §6.1. HEDS 电机转矩脉动分析 由第二章式(2.6)可知，A 相转矩可表示为： ψ dL d af 1 2 dL dW T i PMa =+ i i + i a − PM (6.1) ea a dθ a f dθ 2 a dθ dθ 可见，HEDS 电机的电磁转矩由永磁转矩、励磁转矩、磁阻转矩以及定位力矩组成。永磁转矩 T ，是 HEDS 电机转矩的主要分量，也是功率传递和能量转化的主要分量；磁阻转矩T ，它与电 pm r 枢绕组电流的平方成正比，而与电流方向无关。采用正负半周内双极性电流控制时，尽管一个周期 内的磁阻转矩的平均值为零，却是引起电机转矩脉动的分量之一。此外，HEDS 电机与其它永磁电 机一样，同样存在定位力矩。定位力矩是电机旋转时永磁磁场变化而产生的，也是引起电机转矩脉 动的分量之一。 混合励磁电机转矩中转矩分量较多，引起转矩脉动变化的因素也比较复杂。由式(6.1)可以看出， HEDS 电机的转矩脉动与电枢电流、永磁磁场的变化率、电枢绕组电感的变化率以及电机永磁体磁 场储能均由直接关系，而且各参数引起的转矩脉动的比例和权重各不相同，很难直接建立电机转矩 脉动率与电机各参数的函数关系，这也给研究转矩脉动和提出抑制脉动转矩策略带来困难。一般可 通过对电机设计参数的优化和采取相应的控制策略两个方面来减小电机的转矩脉动。 一旦样机制造，则主要通过合适的控制策略来减小电机的转矩脉动。文献[99]提出建立 DSPM 电机转矩脉动率与电流导通角之间的一般关系，采用遗传算法离线仿真计算出电机的最优开关角组 合，通过采用最优的开关角组合控制电枢绕组的通断区间和时间，达到降低电机转矩的目的。文献 [100]采用改变电机的运行方式的方法，变四相运行方式为两相运行，理论和实验验证了该方法能有 效降低电机的转矩脉动。最优开关角方法中，由于需要采用智能算法算出最优开关角组合，不同运 行方式以及不同负载特性时对应不同的开关角组合，当运行过程中，负载特性发生变化时，很难实 现在线调整和优化，一定程度上限制了该方法的应用；而改变四相运行方式为两相运行方式是针对 8/6 极电机这一特殊的结构形式，并不适合 12/8 极三相 HEDS 电机。 通过改变电机的主功率变换电路的结构，将三相全桥变换电路改变为基于分裂电容的半桥变换 [101] 。但实际样机结构中，一方面，HEDS 电机定子上需要 电路，理论上能有效降低电机的转矩脉动 为放置电励磁绕组提供足够的空间，结构上定子齿并非完全径向；另一方面，双极性控制情况下电 75