1、解决无刷直流电机转矩波动的一种方法摘 要：针对无刷直流电机转矩波动，从电机本身的设计着手，提出采用 Y 混合连接绕组代替星形绕组，通过分析发现，可以减少转矩波动。 关键词：无刷直流电机；Y 混合连接绕组；转矩波动 1 引 言 永磁无刷直流电机是随着电机控制技术、电力电子技术和微电子技术的发展而出现的一种新型电机，它的最大特点是以电子换向线路代替了由换向器和电刷组成的机械式换向结构。从而使无刷直流电机既具有交流电机的简单、运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电机运行效率高、调速性能好的优点，因而在各方面获得广泛的应用。 由于永磁无刷直流电机的定子绕组在位置传感器的控制下，一相一相地依次供电，实现
2、了各相绕组电流的换相，在换相过程中，定子各相绕组中电流在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的，由此产生的电机转矩波动较大，这样会引起一定的振动噪声，影响了它的应用领域，特别是家电行业。当然可以通过改变电子换相控制线路的方式来改善电机转矩的波动。 本文介绍以 Y 混合连接绕组1 ，将一系列谐波大大削弱，减少运行中的振动噪声，以改善 电机转矩波动。 2 三相全控方式下 Y 接法绕组产生的电机转矩 转子上的永久磁钢是产生电机气隙中的磁场，该磁场与定子绕组产生的磁场相互作用，产生电机转矩，不同的供电方式，所产生的电机转矩是不同的。三相全控通电控制线路如图 1 所示，在位置传感器的作用下依次切换绕组中的
3、电流，在两两导通方式下，每一绕组通电时间为 120电角度，每隔 60电角度换相 1 次，为了分析方便，在分析时假定： （1） 电动机 的气隙磁场感应强度沿气隙正弦分布。 （2）绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。 （3）由于电机转矩的力臂都是相同的，所以把电磁力的方向看作电机转矩的方向。 （4）各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致。 由于假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电机气隙中是按正弦规律分布的，即 BBmsin，这样，如果在定子某一相（例如 A 相）绕组中通一直流电流，则所产生的转矩2为： 式中 N每相绕组串联的匝数 Kdp基波绕组系数 L导体的有效长度，即磁钢长度
4、D电动机的电枢直径 I绕组相电流 某一相通以不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随着转子位置的不同而按正弦规律变化，在三相全控电路的工作下，实际上每相绕组通过的不是持续不变的直流电流，只是通过 13 周期的矩形波电流，那么该电流和转子磁场作用所产生的转矩也是 13 周期的正弦转矩曲线，且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关，在绕组通电 120的时间里，载流导体正好处在比较强的气隙磁场中，它所产生的转矩脉冲小，平均值较大，在三相 Y 连接全控电路两两导通方式下，每一瞬间有两个功率管导通，每隔 16 周期（60电角度）换相 1 次，每次换相一个功率管，每一功率管导通 120电角度
5、，各功率管的导通顺序是 V1V2，V2V3，V3V4，V4V5，V5V6 ，V6V1 ，当功率管 V1 和 V2 导通时，电流从V1 流入 A 相绕组，再从 C 相绕组流出，经 V2 管回到电源，则它们合成转矩如图 2 所示，其大小为。在两两换相的情况下，每隔 60电角度换向 1 次，每个功率管通电 120，每个绕组通电 240，其中正向通电和反向通电各 120，其合成转矩的矢量图为图 3，转矩波形见图 4，从图 4 可知转矩波动为087 1，每相绕组的平均转矩为： 3 Y 混合连接绕组的转矩分析 永磁无刷直流电动机在运行时，其气隙中的磁场是一个波幅恒定不变的旋转波，根据三相绕组建立气隙磁场3
6、 的分析可知，将这一旋转波等效认为是由三相对称绕组产生的，其基波表示为： Y 混合连接绕组是把普通的 60相带三相绕组分成两套三相绕组，这两套绕组之间在空间相位上彼此相差 30电角度，其中一套采用 接法，一套采用 Y 接法，即把原 60相带分为两个 30相带，分别放置两套绕组，其磁势星形矢量图为图 5，两套绕组串联连接如图 6 所示。 在采用 Y 混合连接绕组时，若能满足或基本满足，Y 连接部分的绕组所产生的感应电势在时间上滞后于 连接部分的绕组所产生的感应电势2130电角度（这可由两部分绕组在相带中所占的位置决定） ，并基本满足三角形绕组和星形绕组分别是对称的 30相带的三相绕组，并使每相绕
7、组电压在时间上相差120，让两部分绕组产生的磁势幅值相等，便可以完全消除或大大削弱 5、7、17、19 等 6K1（K奇数）次谐波磁势，从而改善气隙磁场波形，使谐波转矩下降，改善电机转矩。 由于在三相全控两两通电方式中，每瞬间有 2 个功率管通电，每隔 60换相一次，每次有一个功率管换向，每个功率管导通 120，即当功率管 V1 和 V2 导通时，电流从 V1 流入星形绕组的 A 相，流过三角形绕组时，分别通过 C 相绕组和 A、B 两相串联的绕组，再从星形绕组的 C 相绕组 V2 管流出，这时星形绕组产生的合成转矩矢量同图 2，考虑三角形绕组中的电流方向，产生的合成转矩矢量为图 7。 设星形
8、绕组通过的电流为 I，每相串联匝数为 NY，则由式（2）得星形每相绕组的平均转矩为： 由于星形、三角形流通绕组是串联的，则三角形的 C 相绕组中的电流为 2/3I，B 、A 相中的电流为 1/3I，如果三角形绕组每相串联匝数为 ，则三角形 C 相绕组所产生的平均转矩由式（2）得： 可见，两套绕组所产生的合成转矩在幅值上相等，但在空间相差了 30电角度，其转矩星形矢量图同图5，相当于将原来每隔 60换相一次，转变为每隔 30就换相一次，其合成转矩的波动就大为减少，仅为09661，比用 Y 形绕组的 0871 要提高了许多，从而改善了电机转矩的性能。 4 结 论 在三相全控两两通电方式下，用 Y 混合连接绕组替代三相星形绕组，不仅可以减少无刷直流电机的转矩波动，从而降低了振动噪声，而且提高了绕组的利用率，并且不增加换相控制线路的复杂性，实现了对无刷直流电机转矩波动的控制，所以使用 Y 混合连接绕组不失是一种好的方法。
