矢量控制的双绕组磁阻电机电磁特性分析

宋桂英，赵晓明，鲁 兵，刘笑笑

(河北工业大学，天津300130))

0 引 言

开关磁阻电机是随着功率电子学和微电子学的飞速发展而出现的一种新型调速电机，由于其具有结构简单、价格便宜、鲁棒性好、高转矩密度等众多优点，从20世纪90年代以来，已被越来越多地应用于电动车辆、矿山、油田、纺织机械等工业部门的驱动系统［1－3］。由于具有较好的高速(超高速)性能和较强的容错能力，使其在航空航天、高速离心机等环境恶劣且安全性要求很高的领域得到广泛应用。然而相比于其它传统电机，其高转矩波动以及振动噪声的问题也尤为突出，其应用场合受到了限制［4－5］。

为了减少磁阻电机的振动和噪声，国内外研究人员主要从优化电机的几何结构以及控制绕组电流波形等方面进行了大量研究［6－8］。然而无论是优化电机几何尺寸还是控制电流波形，这些方法都是被动地减少磁阻电机的转矩波动和噪声，并没有从根本上解决其由于凸极结构所产生的脉动电磁转矩和噪声的问题。

近年来，文献［9－10］提出磁阻电机定子采用双绕组的改进方案:电机定子采用两套绕组即电枢绕组和励磁绕组，电枢绕组采用正弦双极电流供电，励磁绕组直流供电。文献［11］对双绕组磁阻电机的电磁振动和噪声进行了分析。本文采用矢量控制实现双绕组电机电枢电流的正弦控制，同时对其转矩波动进行了分析研究。与传统开关磁阻电机相比，该新型绕组电机在转矩输出和波动控制方面也具有明显的优势。

1 双绕组磁阻电机的构

双绕组磁阻电机定子和转子都是双凸极结构，转子上无任何绕组，是一种非永磁双凸极电机。该电机采用集中绕组作为电枢绕组，缠绕在每个定子磁极上，直流励磁绕组与电枢绕组同时嵌在定子槽内。文献［10］的双馈双凸极电机尽管也是采用双绕组，但是其只是在2个相对的定子槽内嵌放了直流励磁绕组，使得各相的磁通路径不相同，导致各相绕组的磁势和磁链不对称，从而引起高齿槽转矩波动和转矩波动，并引起高振动和噪声。本文提出的双绕组电机将直流绕组嵌放在每一个定子槽内，线性调节气隙磁通密度，改善了电机的磁链，进而使得其转矩波动和噪声降低。图1为该电机的结构图和二维模型图。

图1 电机的结构和模型图

2 双绕组磁阻电机的控制

双绕组磁阻电机的主电路拓扑如图2所示，电枢绕组采用三相全桥逆变电路供电，三角形连接，励磁绕组直流励磁。

图2 双绕组磁阻电机的主电路图

双绕组磁阻电机控制系统采用空间矢量脉宽调制(以下简称SVPWM)技术。SVPWM技术通常采用固定采样频率，从而产生一个相对集中的频谱。此外，它有着较低的开关损耗，易于在数字处理器中实现。这些优点使SVPWM技术广泛用于永磁同步电机和感应电动机［12］中。图3给出了Id=0时，双绕组磁阻电机的矢量控制系统框图。

图3 Id=0双绕组磁阻电机的矢量控制框图

通过位置传感器检测出电机的转子位置，计算得到电机实际转速ω，将电机实际转速ω与转速给定值ω*做比较，经速度调节器输出给定值，电流传感器检测的定子三相电流iA，iB，iC经坐标变换成d，q轴电流 id，iq，分别与给定值比较(=换及脉宽调制得到逆变器驱动信号驱动逆变器控制双绕组磁阻电机运行。

3 双绕组磁阻电机的电磁特性

为了分析双绕组电机的电磁特性，有限元法对电机的电流、磁链和转矩进行了仿真分析。实验所用电机额定电压48 V，功率70 W，表1给出了电机的主要参数。

表1 双绕组磁阻电机的基本参数

3． 1 绕组电流

图4给出的是双绕组电机和传统开关磁阻电机在一个电周期内的电流波形对比图，图4(a)是双绕组磁阻电机相电流波形，图4(b)为开关磁阻电机的相电流波形。双绕组磁阻电机由正弦双极性电流励磁，采用矢量控制，电流波形更趋近于正弦，换相时，相电流变化平稳。

图4 双绕组磁阻电机与开关磁阻电机电流波形对比图

3． 2 磁链

图5为双绕组磁阻电机和开关磁阻电机的磁链波形。双绕组磁阻电机由于磁路对称的且磁通路径短，因此，三相磁链对称;开关磁阻电机是单极性供电，磁链只存在正向，波形近似于三角形，因此谐波比重较大。图6的谐波分布图表明，双绕组磁阻电机磁链的第8至第8阶谐波分量比开关磁阻电机明显减少。

图5 双绕组磁阻电机与开关磁阻电机电流波形对比图

图6 双绕组磁阻电机与开关磁阻电机磁链谐波对比图

3． 3 转矩

基于能量转换的原理，双绕组磁阻电机每相(以A相为例)的电磁转矩由磁共能来计算如下:

式中:为电枢电流ia和励磁电流if所产生的磁链;La为A相自感。

式(1)计算的是瞬时电磁转矩，可知转矩与电流和磁链密切相关。图7为在电流有效值相同(I=3 A)时双绕组磁阻电机与开关磁阻电机瞬时电磁转矩波形对比图，双绕组磁阻电机的转矩波动明显减小。双绕组磁阻电机由三相双极性桥式逆变电路供电，全周期出力，输出转矩高，图8给出了2种电机的平均转矩的对比图。

图7 双绕组磁阻电机与开关磁阻电机转矩波形对比图

图8 双绕组磁阻电机与开关磁阻电机平均转矩对比图

4 结 语

双绕组磁阻电机定子采用电枢绕组和励磁绕组2套绕组。仿真实验表明:同传统开关磁阻电机相比，电枢绕组由正弦双极性电流供电使得绕组电流变化平稳，不仅使得转矩波动得到改善，也有利于减小电机的转速波动和噪声;同时双极性电流全周期出力，提高了电机的输出转矩。

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