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內容簡(jiǎn)介：造成無(wú)刷直流電動(dòng)機轉矩脈動(dòng)的原因很多，主要可以分為以下五個(gè)方面：1．電磁因素引起的轉矩脈動(dòng)。2．電流換向引起的轉矩脈動(dòng)。3．齒槽效應引起的轉矩脈動(dòng)。4．電樞反應引起的轉矩脈動(dòng)。5．機械加工引起的轉矩脈動(dòng)。

    無(wú)刷直流電動(dòng)機輸出轉矩大，動(dòng)態(tài)響應迅速，調速控制方便。可靠性高，因此它的應用越來(lái)越廣泛。但是，無(wú)刷直流電動(dòng)機固有的轉矩脈動(dòng)問(wèn)題卻一直限制著(zhù)其在高精度系統中的應用。對于高精度系統。轉矩脈動(dòng)是衡量無(wú)刷直流電動(dòng)機性能的一項重要指標。因此，分析轉矩脈動(dòng)形成的原因。研究消除或抑制轉矩脈動(dòng)的方法具有十分重要的意義。
    造成無(wú)刷直流電動(dòng)機轉矩脈動(dòng)的原因很多，主要可以分為以下五個(gè)方面：
    1．電磁因素引起的轉矩脈動(dòng)
    這是由于定子電流和轉子磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)．它與電流波形、感應電動(dòng)勢波形、氣隙磁通密度的分布有著(zhù)直接關(guān)系。理想情況下，定子電流為方波，感應電動(dòng)勢為梯形波，平頂寬度為120°電角度，電磁轉矩為恒值。而實(shí)際電機中．由于設計和制造方面的原因．很難保持感應電動(dòng)勢為梯形波，或者平頂寬度不是120°電角度：或者由于轉子位置檢測和控制系統精度不夠而造成感應電動(dòng)勢與電流不能保持嚴格同步；或者電流波形偏離方波，只能近似地按梯形波變化等。這些因素的存在都會(huì )導致電磁轉矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。抑制電磁因素引起的轉矩脈動(dòng)的方法有優(yōu)化設計法、最佳開(kāi)通角法、諧波消去法、轉矩反饋法等。
    (1)優(yōu)化設計法。對于無(wú)刷直流電動(dòng)機，磁極形狀、極弧寬度、極弧邊緣形狀對輸出電磁轉矩都有很大的影啊。當氣隙磁通密度呈方波分布時(shí)，即感應電動(dòng)勢波形為理想的梯形波時(shí)，極弧寬度增加．則電磁轉矩增加，轉矩脈動(dòng)減小；當極弧寬度達到π時(shí)，電機功率最大，轉矩脈動(dòng)為零。據此，可以通過(guò)選擇合理的無(wú)電磁轉矩脈動(dòng)的電機磁極和極弧的設計方案，改變磁極形狀，或增加極弧寬度來(lái)有效消除電磁轉矩脈動(dòng)。
    (2)最佳開(kāi)通角法。通過(guò)電機優(yōu)化設計可以消除電磁轉矩脈動(dòng)，但也有不足之處，例如：由于電機繞組的電感限制，即使電機采用恒流源供電．在換流過(guò)程中電流不能突變，流入定子繞組的電流波形也不可能是矩形波；另外．對于實(shí)際電機，氣隙磁場(chǎng)很難保持理想的方波分布，繞組感應電動(dòng)勢波形也并非理想的矩形，這樣就無(wú)法實(shí)現完全從硬件設計上消除電磁轉矩脈動(dòng)。因此．只能通過(guò)控制手段和策略來(lái)抑制轉矩脈動(dòng)。如采用最佳開(kāi)通角的方法抑制電磁轉矩脈動(dòng)，即先推導出轉矩脈動(dòng)與開(kāi)通角之間的函數關(guān)系式，再求取電流最優(yōu)開(kāi)通角，使電流波形和感應電動(dòng)勢波形的配合適當．從而達到削弱轉矩脈動(dòng)的目的。
    (3)諧波消去法。由于無(wú)刷直流電機定子電流和轉子磁場(chǎng)的非正弦，使得其相互作用產(chǎn)生的電磁轉矩含有諧波分量，造成了轉矩的脈動(dòng)。電磁轉矩脈動(dòng)是由相電流和感應電動(dòng)勢相互作用而形成的。可以考慮通過(guò)控制電流的諧波成分來(lái)消除由此產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)。因為，在理想條件下，無(wú)刷直流電動(dòng)機同頻率的磁鏈諧波與電流諧波(三次諧波除外)相互作用可以產(chǎn)生恒定的轉矩，不同次諧波之間是不會(huì )產(chǎn)生轉矩的。當然，在實(shí)際情況下，由于電機的電感限制了電流的變化率，使得輸入定子繞組的電流不可能是矩形波．而往往是梯形波。而且，磁鏈波形的平頂寬度也會(huì )小于理想時(shí)的120°電角度．使得不同次數的磁鏈諧波與電流諧波之間也產(chǎn)生了一定的諧波轉矩。所以，確定最佳諧波電流的難度是很大的，這也使得諧波
消去法的應用受到了限制。
    (4)轉矩反饋法。諧波消去法是一種開(kāi)環(huán)控制方法，當存在繞組阻抗不對稱(chēng)和所測電流有誤差等于擾時(shí)，控制精度將會(huì )受到影響。為了克服開(kāi)環(huán)控制方法的缺點(diǎn),人們提出了從反饋角度考慮抑制轉矩脈動(dòng)的方法，即以轉矩為控制對象，進(jìn)行閉環(huán)控制。轉矩反饋法的基本原理就是．根據位置和電流信號通過(guò)轉矩觀(guān)測器得到轉矩反饋信號．再通過(guò)轉矩控制器反饋給無(wú)刷直流電動(dòng)機的主電路，實(shí)現對轉矩的實(shí)時(shí)控制，從而消除轉矩脈動(dòng)。但是，轉矩反饋法結構較為繁雜，需預先確定電機參數．且算法復雜．實(shí)現起來(lái)比較困難。
    2．電流換向引起的轉矩脈動(dòng)
    無(wú)刷直流電動(dòng)機工作時(shí)．定子繞組按一定順序換流。由于各相繞組存在電感．阻礙電流的瞬時(shí)變化．每經(jīng)過(guò)一個(gè)磁狀態(tài)，電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時(shí)將引起電磁轉矩的脈動(dòng)。抑制由電流換向引起的轉矩脈動(dòng)的方法有電流反饋法、滯環(huán)電流法、重疊換向法、脈寬調制(PwM)斬波法等。
    (1)電流反饋法。這種方法就是使非換向相電流保持恒定．從而使換向轉矩脈動(dòng)為零，因為非換向相電流的存在會(huì )導致一定的轉矩脈動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，電流反饋控制可以分為兩種形式，即直流側電流反饋控制和交流側電流反饋控制。直流側電流反饋控制的電流反饋信號由直流側取出，主要控制電流幅值。由于直流側電流反饋控制是根據流過(guò)直流電源的電流信號進(jìn)行的，因此只需要一個(gè)電流傳感器便可得到電流反饋信號。交流側電流反饋控制的電流反饋信號由交流側取出．此時(shí)，根據轉子的位置來(lái)確定要控制的相電流，使其跟隨給定。在換向過(guò)程中，當非換向電流未到達給定值時(shí)，PwM控制不起作用；當非換向電流超過(guò)設定值時(shí)-PwM控制開(kāi)始起作用．關(guān)斷所有開(kāi)關(guān)器件．使電流值下降，直至低于設定值再閉合被關(guān)斷的開(kāi)關(guān)器件，使其值上升，依此往復，即可實(shí)現非換向相電流的調節．直至換向完成。
    (2)滯環(huán)電流法。在常用的電流控制方法中，除了上述方法外，還有滯環(huán)電流控制法。其基本原理是。在電流環(huán)中，采用滯環(huán)電流調節器(Hysresis current Regulator，HcR)，通過(guò)比較參考電流和實(shí)際電流，使得換向時(shí)能夠給出適合的觸發(fā)信號。實(shí)際電流的幅值和滯環(huán)寬度的大小決定了HcR控制信號的輸出。當實(shí)際電流小于滯環(huán)寬度的下限時(shí)，開(kāi)關(guān)器件導通；隨著(zhù)電流的上升，達到滯環(huán)寬度的上限時(shí)，開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷，使電流下降。實(shí)際電流可以是相電流，也可以是逆變器的輸入電流。滯環(huán)電流法的特點(diǎn)是：應用簡(jiǎn)單，快速性好，具有限流能力。滯環(huán)電流控制方法可分為三種情況：由上升相電流控制的HCR．由非換向電流控制的HcR和由三相相電流獨立控制的HcR。比較用這三種方法抑制換向轉矩脈動(dòng)效果的實(shí)驗證明：后兩種情況的換向轉矩特性相同．對換向轉矩脈動(dòng)具有較好的抑制效果，且適用于低速。
    (3)重疊換向法。電流反饋法、滯環(huán)電流法雖然解決了低速換向的轉矩脈動(dòng)問(wèn)題，但通常在高速時(shí)效果不理想。現今，在高速段抑制換向轉矩脈動(dòng)較成熟的方法是重疊換向法。其基本原理是。換向時(shí)本應立即關(guān)斷的功率開(kāi)關(guān)器件并不是立即關(guān)斷，而是延長(cháng)了一個(gè)時(shí)間間隔，并將本不應開(kāi)通的開(kāi)關(guān)器件提前導通。在傳統的重疊換向法中，重疊時(shí)間需預先確定．但選取合適的重疊時(shí)間較為困難，且不能最大限度地減小轉矩脈動(dòng)。
    (4)PwM斬波法。PwM斬波法與交流側電流反饋控制法較類(lèi)似，即開(kāi)關(guān)器件在斷開(kāi)前、導通后進(jìn)行一定頻率的斬波，控制換向過(guò)程中繞組的端電壓．使得各換向電流上升和下降的速率相等，補償總電流幅值的變化，抑制換向轉矩脈動(dòng)。與重疊換向法相比，該方法具有更小的轉矩脈動(dòng)，適合于精度要求更高的場(chǎng)合。
    3．齒槽效應引起的轉矩脈動(dòng)
    無(wú)刷直流電動(dòng)機定子鐵心為了安放定子繞組必然要有齒和植，由于定子齒槽的存在，引起氣隙不均勻，一個(gè)齒距內的磁通相對集中于齒部．使氣隙磁導不是常數。當轉子旋轉時(shí)。氣隙磁場(chǎng)就要發(fā)生變化，產(chǎn)生齒槽力矩。齒槽力矩與轉子位置有關(guān)，因而引起轉矩脈動(dòng)。齒槽力矩是永磁電機的固有特性，在電機低速輕載運行時(shí)，齒槽力矩將引起明顯的轉速波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此，如何削弱齒槽力矩是永磁電機設計中較為重要的目標之一。
    齒槽力矩產(chǎn)生的原因與前述兩種引起轉矩脈動(dòng)的原因不同。前述兩種引起轉矩脈動(dòng)的原因均在于定子電流與轉子磁場(chǎng)的相互作用，而齒槽力矩是由定子鐵心與轉子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的，減少齒槽轉矩脈動(dòng)最普通的方法就是定子斜槽或轉子斜極。另外，增大氣隙，采用分數稽和磁性槽楔也有助于減小齒槽力矩的波動(dòng)。當然，消除齒槽效應最好的方法就是采用無(wú)槽電機結構。
    無(wú)槽電機的電樞繞組不管采用何種形式．它的厚度始終是實(shí)際氣隙的一部分，因此無(wú)槽電機的實(shí)際等效氣隙比有槽電機要大得多．所需要的勵磁磁動(dòng)勢也要大許多．這在早期限制了無(wú)槽電機的容量和發(fā)展：近年來(lái)，隨著(zhù)磁性材料的迅猛發(fā)展．特別是釹鐵硼等高磁能積稀土永磁材料的應用，為無(wú)槽電機的實(shí)用化創(chuàng )造了條件。采用無(wú)槽結構，因為同時(shí)具有超大氣隙，除了能徹底消除齒槽效應引起的轉矩脈動(dòng)外，還能大幅度削弱由于電樞反應和機械偏心而產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)。
    4．電樞反應引起的轉矩脈動(dòng)
    電樞磁動(dòng)勢對氣隙主磁場(chǎng)的影響．稱(chēng)為電樞反應。無(wú)刷直流電動(dòng)機的電樞反應比較復雜，根據電樞反應的性質(zhì)，電樞反應磁動(dòng)勢可分解為交軸分量和直軸分量。
    交軸電樞反應磁動(dòng)勢會(huì )使氣隙主磁場(chǎng)波形發(fā)生畸變．使氣隙主磁場(chǎng)的磁感應強度不再是空載時(shí)的方渡，感應電動(dòng)勢也隨之畸變。從而導致感應電動(dòng)勢與電樞電流的不匹配，進(jìn)而引起轉矩脈動(dòng)。現在無(wú)刷直流電動(dòng)機均采用高性能的稀土永磁材料，若采用瓦片形表面貼裝式，則交軸電樞反應對氣隙主磁場(chǎng)的影響會(huì )很微弱。這是因為交軸電樞反應磁路要經(jīng)過(guò)氣隙和永磁體[見(jiàn)圖6 8(a)]，永磁材料的磁導率與空氣的磁導率是非常接近的，這就使交軸電樞反應磁路的磁阻很大，交軸電樞反應的磁通很小．其對氣隙主磁場(chǎng)的影響可以忽略不計。
    直軸電樞反應磁動(dòng)勢在轉子旋轉過(guò)程中對主磁場(chǎng)先去磁、后增磁(見(jiàn)圖6—7)，使負載每極總磁通在空載每極總磁通的附近變化。這樣，感應電動(dòng)勢和電磁轉矩也要發(fā)生變化，但影響不大。
    5．機械加工引起的轉矩脈動(dòng)
    機械加工和材料的不一致也是引起無(wú)刷直流電動(dòng)機轉矩脈動(dòng)的重要原因之一。如電機機械加工及裝配時(shí)產(chǎn)生的尺寸和形位偏差，定子沖片各槽分布不均勻．定子內外圓偏心．定、轉子同軸度偏差等產(chǎn)生的單邊磁拉力，軸承系統的摩擦轉矩不均勻，轉子位置傳感器定位不準導致的轉矩脈動(dòng)．各相繞組參數不對稱(chēng)及電子元器件性能參數的差異而導致的轉矩脈動(dòng)．磁路中各零件材料特別是永磁體性能不一致而產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)等。因此。提高工藝加工水平也是減少轉矩脈動(dòng)的重要措施。

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