劉成堯，　潘再平

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程學(xué)院， 浙江 紹興　312000；

2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 浙江 杭州　310027)

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開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)兩相同步勵(lì)磁與定子繞組模式研究

劉成堯1,2，潘再平2

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程學(xué)院， 浙江 紹興312000；

2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 浙江 杭州310027)

摘要：以4/6極三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和6/8極四相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，分析了三相、四相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的繞組布置結(jié)構(gòu)和相間連接方式對(duì)兩相同步勵(lì)磁下的磁場(chǎng)以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和平均轉(zhuǎn)矩的影響，給出了8種典型組合模式下兩相同步勵(lì)磁工作的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，指出三相反向繞組、各相獨(dú)立連接模式，三相正向繞組、相間星形連接模式，四相反向繞組、各相獨(dú)立連接模式和四相反向繞組、相間星形連接模式下的兩相同步勵(lì)磁能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和提高平均轉(zhuǎn)矩。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)； 兩相同步勵(lì)磁； 定子繞組； 平均轉(zhuǎn)矩； 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.1134.016.html

0引言

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、調(diào)速性能優(yōu)越等特點(diǎn)，但由于是雙凸極結(jié)構(gòu)，通常工作于磁飽和狀態(tài)以及采用開關(guān)形式供電，導(dǎo)致?lián)Q相期間電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，工作噪聲大。Ahn等[1]首先提出了SRM兩相同步勵(lì)磁(Two-Phase Excitation，TPE)的控制方案，利用兩相自感與互感的合理疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制和平均轉(zhuǎn)矩的提高[2]，并基于簡(jiǎn)化的線性SRM模型，通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)方法解釋了TPE能降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因；Edrington等[3]利用實(shí)驗(yàn)方法研究了TPE的動(dòng)態(tài)建模；郭偉等[4-5]建立了TPE模式磁鏈和轉(zhuǎn)矩角模型；童懷[6]提出了TPE等效網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)模型；高潔等[7-8]研究了TPE模式的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些研究大大促進(jìn)了TPE技術(shù)的發(fā)展，但目前關(guān)于電動(dòng)機(jī)繞組模式對(duì)TPE工作特性影響的研究還較少[9]。本文以4/6極三相SRM和6/8極四相SRM為研究對(duì)象，系統(tǒng)地分析了三相、四相SRM的繞組布置結(jié)構(gòu)、相間連接方式對(duì)TPE工作特性的影響。

1SRM繞組模式

SRM轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，定子繞組方式分為正向繞組和反向繞組，定子的磁極用N和S表示，按順時(shí)針?lè)较虮硎龆ㄗ拥拇艠O分布，正向繞組通電后產(chǎn)生的磁極為NS或SN，反相繞組通電后產(chǎn)生的磁極為NN或SS。根據(jù)相間的連接方式，可分為各相獨(dú)立連接和相間星形連接。

三相SRM繞組結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，從3個(gè)定子引出A，B，C三相，其中a，a′，b，b′，c，c′分別表示電動(dòng)機(jī)定子端的繞組抽頭，a和a′、b和b′、c和c′對(duì)應(yīng)接入A，B，C相電源，A相電流從a流入、a′流出，可表示為電流沿aa′方向。四相SRM繞組結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，從4個(gè)定子引出A，B，C，D四相，其中a，a′，b，b′，c，c′，d，d′分別表示電動(dòng)機(jī)定子端的繞組抽頭，a和a′、b和b′、c和c′、d和d′對(duì)應(yīng)接入A，B，C，D相電源。

(a)三相SRM繞組(b)四相SRM繞組

圖1三相、四相SRM繞組結(jié)構(gòu)

2SRM繞組模式對(duì)TPE工作特性的影響

(1) 三相正向繞組、各相獨(dú)立連接模式。由于各相獨(dú)立連接，兩相同時(shí)勵(lì)磁的組合較多，設(shè)定固定電流流向以便于研究電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)情況：① 電流沿aa′，b′b，cc′方向，可構(gòu)成NSNSNS磁極分布，如圖2(a)所示，極間磁極分布一致，且互感強(qiáng)度大于自感，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，平均轉(zhuǎn)矩較大；② 電流沿aa′，bb′，cc′方向，可構(gòu)成NNNSSS磁極分布，如圖2(b)所示，極間磁極分布不一致，存在NN(SS)，NS不同的磁極分布，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大[6]。

(a)電流沿aa',b'b,cc'方向(b)電流沿aa',bb',cc'方向

圖2三相正向繞組、各相獨(dú)立連接模式的磁極分布

(2) 三相反向繞組、各相獨(dú)立連接模式。在各相獨(dú)立連接情況下，TPE的電流流向?qū)RM磁場(chǎng)影響極大，本文設(shè)定2種電流流向：① 電流沿aa′，bb′，cc′方向，可構(gòu)成SSSSSS磁極分布，如圖3(a)所示，極間互感較弱，平均轉(zhuǎn)矩??；② 電流沿aa′，b′b，cc′方向，可構(gòu)成NSNSNS磁極分布，如圖3(b)所示，極間磁極分布一致，互感較強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制較好，平均轉(zhuǎn)矩較大。

(a)電流沿aa',bb',cc'方向(b)電流沿aa',b'b,cc'方向

圖3三相反向繞組、各相獨(dú)立連接模式的磁極分布

(3) 四相正向繞組、各相獨(dú)立連接模式。參考三相正向繞組、各相獨(dú)立連接模式的電流流向設(shè)定規(guī)則，設(shè)定四相正向繞組、各相獨(dú)立連接模式的2種電流流向：① 電流沿aa′，b′b，cc′，d′d方向，可構(gòu)成NSNSSNSN磁極分布，如圖4(a)所示，極間磁極分布不一致，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大；② 電流沿aa′，bb′，cc′，dd′方向，可構(gòu)成NNNNSSSS磁極分布，如圖4(b)所示，極間磁極分布不一致，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。

(a)電流沿aa',b'b,cc',d'd方向(b)電流沿aa',bb',cc',dd'方向

圖4四相正向繞組、各相獨(dú)立連接模式的磁極分布

(4) 四相反向繞組、各相獨(dú)立連接模式。四相反向繞組與三相反向繞組類似，由于多了一相，可以通過(guò)合適的電流流向?qū)崿F(xiàn)定子磁極的規(guī)則分布。按照aa′，b′b，cc′，d′d的電流流向，可構(gòu)成NSNSNSNS磁極分布，如圖5所示，極間磁極為NS，極間互感較強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，平均轉(zhuǎn)矩較大。

圖5　四相反向繞組、各相獨(dú)立連接模式的磁極分布

(5) 三相正向繞組、相間星形連接模式。將電動(dòng)機(jī)定子繞組的a′，b，c′抽頭短接，a，b′，c抽頭外接三相電源，任意2個(gè)抽頭導(dǎo)通即可實(shí)現(xiàn)TPE工作。該模式下相電流導(dǎo)通順序及電流流向?yàn)閍a′bb′，cc′bb′，cc′a′a，b′ba′a，b′bc′c，aa′c′c，可構(gòu)成NSNSNS磁極分布，如圖6所示，極間磁極分布一致，互感較強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，平均轉(zhuǎn)矩顯著變大。

圖6　三相正向繞組、相間星形連接模式的

(6) 三相反向繞組、相間星形連接模式。該模式下需要保持相鄰兩相電流反向以獲得極間磁極的一致性分布，采用與三相正向繞組、相間星形連接模式同樣的連接方式、相電流導(dǎo)通順序及電流流向，可構(gòu)成NSNSNS磁極分布。由于反向繞組的自感強(qiáng)度大于互感，所以該模式下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較三相正向繞組、相間星形連接模式下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，平均轉(zhuǎn)矩較小。

(7) 四相正向繞組、相間星形連接模式。將定子繞組的a′，b′，c′，d′抽頭短接，a，b，c，d抽頭外接四相電源，任意2個(gè)抽頭導(dǎo)通即可實(shí)現(xiàn)TPE工作。該模式下相電流導(dǎo)通順序及電流流向?yàn)閍a′b′b，cc′b′b，cc′d′d，aa′d′d，可構(gòu)成SNSNNSNS磁極分布，如圖7所示，極間磁極分布不一致，互感不一致，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。

(8) 四相反向繞組、相間星形連接模式。該模式下需要保持相鄰兩相電流反向以獲得極間磁極的一致性分布，采用與四相正向繞組、相間星形連接模式同樣的連接方式、相電流導(dǎo)通順序及電流流向，可構(gòu)成NSNSNSNS磁極分布，如圖8所示，極間磁極分布一致，互感較強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，平均轉(zhuǎn)矩顯著變大。

圖7　四相正向繞組、相間星形連接模式的

圖8　四相反向繞組、相間星形連接模式的

3結(jié)語(yǔ)

三相、四相SRM通過(guò)合適的繞組形式和相間連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)TPE有效工作，但由于繞組形式和相間連接方式的不同，導(dǎo)致TPE的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和平均轉(zhuǎn)矩不同。其中，三相反向繞組、各相獨(dú)立連接模式，三相正向繞組、相間星形連接模式，四相反向繞組、各相獨(dú)立連接模式和四相反向繞組、相間星形連接模式的TPE可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制和較大的平均轉(zhuǎn)矩，為進(jìn)一步研究基于TPE的SRM系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

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Research of two-phase excitation and stator winding mode of switched reluctance motor

LIU Chengyao1,2,PAN Zaiping2

(1.College of Electrical and Electric Engineering, Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing

312000, China; 2.College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract:The paper took 4/6 poles three-phase switched reluctance motor and 6/8 poles four-phase switched reluctance motor as study objects, analyzed influence of winding structure and phase connection way of three-phase and four-phase switched reluctance motor on magnetic field, torque ripple and average torque under two-phase excitation, gave motor torque characteristics of two-phase excitation under eight typical combination modes, and pointed that two-phase excitation under modes of three-phase reverse winding with independent connection of each phase, three-phase positive winding with star connection of each phase, four-phase reverse winding with independent connection of each phase and four-phase reverse winding with star connection of each phase could reduce torque ripple and improve average torque.

Key words:switched reluctance motor; two-phase excitation; stator winding; average torque; torque ripple

中圖分類號(hào)：TD614

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-05 11:34

文章編號(hào)：1671-251X(2016)04-0066-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.016

劉成堯，潘再平.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)兩相同步勵(lì)磁與定子繞組模式研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(4)：66-69.