永磁無刷拼塊電機的轉矩紋波最小化
摘要：
本文討論了四相、五相、六相拼塊電機的適應性，那在帶有伺服特征和故障容差的應用中是關鍵的要求。研究表明在正常的運行條件下，齒槽選擇適當的槽數和極數組合，且使電機的電流密度最小，可以獲得極好的伺服特性。要使轉矩紋波最小化歸因于那些齒槽和各種故障條件。文中描述了一種新型理想轉矩控制策略。
永磁電機運行在恒轉矩和恒功率模式，在規定的電壓電流下，使銅損耗處于最小。采用合適的控制策略能實現無紋波的轉矩運行。本文一個四相電機故障容差驅動系統的計算機仿真說明了該控制模式的應用。
關鍵詞：故障容差；拼塊電機；理想控制；永磁電機；伺服驅動
1 引言
永磁無刷伺服電機越來越得到廣泛的應用，歸因于其高功率密度、高效率以及與其它電機驅動技術相比有更好的動態性能。然而，目前永磁無刷電機的紋波轉矩經常是應用中的主要問題，尤其在速度和位置控制的應用中。為了減小電動勢中的接頭轉矩和諧波，傳統三相永磁無刷伺服電機在設計中加以考慮，如分布繞組和定／轉子斜槽，，結果是增加制造成本和減少效率和功率密度。而且除應用中獲得好的伺服特征之外，傳統無刷永磁電機故障容差的度數也是需要的，且不會滿足可靠性要求；
永磁無刷拼塊電機，有別于傳統無刷電機如圖1所示，只是因為用繞制線圈改變定子齒槽，該繞組傳導成本低制造容量高，例如，在電動汽車市場，用三相拼塊電機設計優勢且可用傳統三相逆變器驅動。另外由于每相繞組之間本來是絕緣的，磁力、熱和自身力的故障容差將顯得更高。
此外，對于一個給定相數，對應定子槽數和轉子極數的較大數目的組合是存在的。總的來說，假定某拼塊屯機有一個正弦曲線的反電勢波形，那么電流控制器就需要采用一種正弦電流信號才能給出合適比例要求的轉矩。然而，如果反電勢的波形不是正弦波，或者諸如電路開路或短路引起在故障條件下的大力矩脈動，這種單一的控制策略不可避免地要在電機正常的運行條件下產生轉矩紋波。這兩個問題可以通過采用理想轉矩控制策略而被部分克服，它是以減少銅損為目標而釋放轉矩要求的。當前控制策略的效率被逆變器電壓所限止了。由于追求最小的銅損，結果要求繞組電流趨向于反電勢。結果，在高速控制器中電機要求的轉速歸因于逆變器電壓所限。
許多安全臨界應用要求故障容差驅動運行在寬速范圍，包括恒轉矩運行模式和恒功率運行模式。然而理論上一個故障容差無刷電機每單元感應可運行在無限寬的連續電源范圍之內，目前的控制方式不再在正常或故障條件下運行時提供有效方式，結果是拼塊電機的潛在功率容量只好妥協。
本文討論了四相、五相、六相拼塊電機的適應性，并且是應用在的伺服特性和故障容差的都有關鍵要求的地方。當一個傳統的正弦相電流激勵并且是顯示表明存在合適的槽數和極數組合，在良好的運行條件下電機功率密度的影響最小，極好的伺服特性將會得到。然而，由于一相短路或開路故障，將產生轉矩紋波。本文還敘述了理想轉矩控制模式適用于連續轄矩和連續電源的運行范圍，在正常和故障的條件下產生紋波轉矩。
2反電勢諧波失真和齒槽轉矩
2.1反電勢諧波
對于無刷交流伺服電機，通以正弦相電流波形，反電勢的諧波失真和齒槽是輸出轉矩紋波的兩大主要原因。許多技術，如繞組分布和轉子、定子斜槽是適用的，為了獲得正弦反電勢波形和減少齒槽。
對一個正常的m相電機，電磁轉矩如下：
其中：n= km±1
因此，電動勢諧波的序數n歸結于力矩紋波的產生，只有當(n±1)=k0時，k是整數，這樣，由反電勢諧波，和正弦相電流波形相互影響而產生的轉矩紋波如下所示：
·n=5，7，ll，13，l7，19，23- 對一臺三相電機
·n=3，5，7，9，ll，i3，15，17，19，2l……對一臺四相電機
·n=9，11，19，21--… 對一臺五相電機
·n=5，7，ii，13，l7，l9，23- 對一臺六相電機
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