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陜西省微特電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北工業(yè)大學(xué)）的研究人員譚博、張海濤等，在2018年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)題為“一種減小無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗以及銅耗的驅(qū)動(dòng)方法”），基于三相六狀態(tài)方波驅(qū)動(dòng)方法的無(wú)刷直流電機(jī)電流諧波較高，轉(zhuǎn)子渦流損耗較大，易造成永磁體過(guò)熱不可逆退磁。同時(shí)，較大的銅耗易導(dǎo)致電機(jī)繞組溫升過(guò)高，降低電機(jī)可靠性。

提出一種基于電流規(guī)劃的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法，該方法以三相反電動(dòng)勢(shì)作為狀態(tài)變量，以電機(jī)轉(zhuǎn)矩作為限定條件，以三相電流有效值最小作為優(yōu)化目標(biāo)，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(huán)。

分析和仿真表明，與方波驅(qū)動(dòng)方法相比，該驅(qū)動(dòng)方法能使轉(zhuǎn)子渦流損耗以及繞組銅耗明顯減小。最后，以一個(gè)82W的無(wú)刷直流電機(jī)為對(duì)象搭建測(cè)試電路和轉(zhuǎn)子渦流損耗模型，對(duì)所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

具有梯形波反電動(dòng)勢(shì)的無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor, BLDCM）的優(yōu)勢(shì)在于功率密度高、轉(zhuǎn)矩密度高、以及對(duì)逆變器容量需求較小[1]，特別適用于對(duì)質(zhì)量、空間以及效率有苛刻要求的場(chǎng)合，如新能源汽車以及多（全）電飛行器。

但是，隨著電機(jī)的功率越來(lái)越大，轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，其轉(zhuǎn)子渦流損耗導(dǎo)致永磁體的過(guò)熱退磁成為制約無(wú)刷直流電機(jī)高功率密度的關(guān)鍵因素。這是由于轉(zhuǎn)子經(jīng)氣隙與定子進(jìn)行熱傳導(dǎo)散熱，其散熱條件較差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子溫度高于定子。較高的轉(zhuǎn)子渦流損耗容易引起轉(zhuǎn)子高溫，增大了轉(zhuǎn)子上永磁體過(guò)熱失磁的風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。

因此，減小轉(zhuǎn)子渦流損耗以降低轉(zhuǎn)子發(fā)熱，同時(shí)減小銅耗以降低定子溫度便于轉(zhuǎn)子散熱，有利于無(wú)刷直流電機(jī)功率密度的提高。

引起轉(zhuǎn)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(shí)間諧波[5]。方波驅(qū)動(dòng)方式與正弦波驅(qū)動(dòng)方式相比會(huì)帶來(lái)較大的電流時(shí)間諧波[6]。定子電流的非連續(xù)換相是引起電流時(shí)間諧波的重要原因，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱[7]。當(dāng)前關(guān)于無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗和銅耗的研究方法主要包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究以改變渦流感應(yīng)路徑，以及驅(qū)動(dòng)方式研究以降低電樞電流時(shí)間諧波兩種。

在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究方面，主要涉及轉(zhuǎn)子永磁體和保護(hù)套的分塊研究。通過(guò)采用在緊固套上開槽擾亂渦流的流通路徑[8]、改變轉(zhuǎn)子上永磁體的位置[9]、在轉(zhuǎn)子中沿d軸方向安裝阻磁片[10]、轉(zhuǎn)子表面開 槽[11]和環(huán)形插入轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)[12]等方法降低轉(zhuǎn)子渦流損耗。文獻(xiàn)[13]給出了轉(zhuǎn)子渦流損耗的計(jì)算公式并進(jìn)行驗(yàn)證。在驅(qū)動(dòng)方式上，

文獻(xiàn)[14]提出了前級(jí)采用電壓源實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)母線電壓，后級(jí)采用相電流閉環(huán)的方法用來(lái)減小電流時(shí)間諧波。文獻(xiàn)[15]基于四開關(guān)三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種有效的電流時(shí)間諧波抑制方法，具有易于實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

本文針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法展開研究，不涉及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究。論文在保持功率拓?fù)洳蛔兊那疤嵯拢岢鲆环N減小無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗和銅耗的驅(qū)動(dòng)方法。該方法以三相反電動(dòng)勢(shì)作為狀態(tài)變量，以電機(jī)轉(zhuǎn)矩作為限定條件，以三相電流有效值最小作為優(yōu)化目標(biāo)，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(huán)。

在該方法下，相電流隨著反電動(dòng)勢(shì)連續(xù)平滑變化，避免了電流的非連續(xù)換相，從而使電流時(shí)間諧波減小，轉(zhuǎn)子渦流損耗和定子銅耗降低，有利于無(wú)刷直流電機(jī)在高功率密度場(chǎng)合的應(yīng)用。

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置

結(jié)論

無(wú)刷直流電機(jī)在方波驅(qū)動(dòng)下存在電流的非連續(xù)換相現(xiàn)象，導(dǎo)致電流諧波含量高，轉(zhuǎn)子渦流損耗和電機(jī)銅耗升高，增加了轉(zhuǎn)子永磁體過(guò)熱失磁的風(fēng)險(xiǎn)，限制了其在高功率密度場(chǎng)合的應(yīng)用。本文提出了一種能夠減小電流時(shí)間諧波的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法。

該方法以三相反電動(dòng)勢(shì)作為狀態(tài)變量，以電機(jī)轉(zhuǎn)矩作為限定條件，以三相電流有效值最小作為優(yōu)化目標(biāo)，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(huán)。在仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，本文搭建了一個(gè)82W的無(wú)刷直流電機(jī)硬件平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的方法可以控制相電流使其隨著反電動(dòng)勢(shì)而連續(xù)平滑變化，避免了電流的非連續(xù)換相，降低了電流的時(shí)間諧波；與方波方式相比，轉(zhuǎn)子渦流損耗約降低90%，電機(jī)銅耗約降低10%。