- 頭條減小電流時間諧波的無刷直流電機驅動新方法：轉子渦流損耗降低90%，電機銅耗降低10%2019-05-22 作者：譚博、張海濤等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語提出一種基于電流規劃的無刷直流電機驅動方法，該方法以三相反電動勢作為狀態變量，以電機轉矩作為限定條件，以三相電流有效值最小作為優化目標，得出兩相電流的理論給定解析值，并與兩相反饋電流組成電流閉環。分析和仿真表明，與方波驅動方法相比，該驅動方法能使轉子渦流損耗以及繞組銅耗明顯減小。
陜西省微特電機及驅動技術重點實驗室（西北工業大學）的研究人員譚博、張海濤等，在2018年第18期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“一種減小無刷直流電機轉子渦流損耗以及銅耗的驅動方法”），基于三相六狀態方波驅動方法的無刷直流電機電流諧波較高，轉子渦流損耗較大，易造成永磁體過熱不可逆退磁。同時，較大的銅耗易導致電機繞組溫升過高，降低電機可靠性。
提出一種基于電流規劃的無刷直流電機驅動方法，該方法以三相反電動勢作為狀態變量，以電機轉矩作為限定條件，以三相電流有效值最小作為優化目標，得出兩相電流的理論給定解析值，并與兩相反饋電流組成電流閉環。
分析和仿真表明，與方波驅動方法相比，該驅動方法能使轉子渦流損耗以及繞組銅耗明顯減小。最后，以一個82W的無刷直流電機為對象搭建測試電路和轉子渦流損耗模型，對所提出的方法進行驗證。
具有梯形波反電動勢的無刷直流電機（Brushless DC Motor, BLDCM）的優勢在于功率密度高、轉矩密度高、以及對逆變器容量需求較小[1]，特別適用于對質量、空間以及效率有苛刻要求的場合，如新能源汽車以及多（全）電飛行器。
但是，隨著電機的功率越來越大，轉速越來越高，其轉子渦流損耗導致永磁體的過熱退磁成為制約無刷直流電機高功率密度的關鍵因素。這是由于轉子經氣隙與定子進行熱傳導散熱，其散熱條件較差，導致轉子溫度高于定子。較高的轉子渦流損耗容易引起轉子高溫，增大了轉子上永磁體過熱失磁的風險[2-4]。
因此，減小轉子渦流損耗以降低轉子發熱，同時減小銅耗以降低定子溫度便于轉子散熱，有利于無刷直流電機功率密度的提高。
引起轉子渦流損耗和增加電流有效值的主要因素是電樞電流的時間諧波[5]。方波驅動方式與正弦波驅動方式相比會帶來較大的電流時間諧波[6]。定子電流的非連續換相是引起電流時間諧波的重要原因，并導致轉子發熱[7]。當前關于無刷直流電機轉子渦流損耗和銅耗的研究方法主要包括轉子結構研究以改變渦流感應路徑，以及驅動方式研究以降低電樞電流時間諧波兩種。
在轉子結構研究方面，主要涉及轉子永磁體和保護套的分塊研究。通過采用在緊固套上開槽擾亂渦流的流通路徑[8]、改變轉子上永磁體的位置[9]、在轉子中沿d軸方向安裝阻磁片[10]、轉子表面開 槽[11]和環形插入轉子鐵心結構[12]等方法降低轉子渦流損耗。文獻[13]給出了轉子渦流損耗的計算公式并進行驗證。在驅動方式上，
文獻[14]提出了前級采用電壓源實時調節母線電壓，后級采用相電流閉環的方法用來減小電流時間諧波。文獻[15]基于四開關三相拓撲結構，提出了一種有效的電流時間諧波抑制方法，具有易于實現、結構簡單的特點。
本文針對無刷直流電機的驅動方法展開研究，不涉及轉子結構研究。論文在保持功率拓撲不變的前提下，提出一種減小無刷直流電機轉子渦流損耗和銅耗的驅動方法。該方法以三相反電動勢作為狀態變量，以電機轉矩作為限定條件，以三相電流有效值最小作為優化目標，解析出兩相電流的理論給定值，并與兩相反饋電流組成電流閉環。
在該方法下，相電流隨著反電動勢連續平滑變化，避免了電流的非連續換相，從而使電流時間諧波減小，轉子渦流損耗和定子銅耗降低，有利于無刷直流電機在高功率密度場合的應用。
圖11 實驗裝置
結論
無刷直流電機在方波驅動下存在電流的非連續換相現象，導致電流諧波含量高，轉子渦流損耗和電機銅耗升高，增加了轉子永磁體過熱失磁的風險，限制了其在高功率密度場合的應用。本文提出了一種能夠減小電流時間諧波的無刷直流電機驅動方法。
該方法以三相反電動勢作為狀態變量，以電機轉矩作為限定條件，以三相電流有效值最小作為優化目標，解析出兩相電流的理論給定值，并與兩相反饋電流組成電流閉環。在仿真驗證的基礎上，本文搭建了一個82W的無刷直流電機硬件平臺。
實驗結果表明：本文提出的方法可以控制相電流使其隨著反電動勢而連續平滑變化，避免了電流的非連續換相，降低了電流的時間諧波；與方波方式相比，轉子渦流損耗約降低90%，電機銅耗約降低10%。
