磁阻馬達轉矩漣波分析

 

一、前言

 

    磁阻馬達擁有結構簡單且強壯的機械特性,同時在製造生產的成本上也十分低廉,但卻不受市場上的歡迎,主要的原因在於磁組馬達運轉時會產生劇烈的震動及吵雜的噪音,這都會帶給使用者不良的觀感。

 

    因此在磁阻馬達的研究中,無論是探討馬達外形尺寸的設計,或是馬達驅動電路的規劃,以及各類控制法的運用,往往都在探討如何解決磁阻馬達中震動及噪音的問題。

 

二、震動及噪音

 

磁阻馬達中震動及噪音的來源,主要是可分為風阻及轉矩漣波這兩部份。

 

風阻:起因主要來自於轉子的型式,如下圖1為一般常見的磁阻馬達定、轉子結構,其轉子齒間空缺的部份在運轉時會具有風阻,使得馬達運轉時會產生風切聲。

 

 圖1  

 

 轉矩漣波:為馬達所產生的轉矩不穩定,造成轉矩波動的結果,如下圖2為磁阻馬達的轉矩圖,其轉矩不斷的有大小值的變化,這波動的幅度就稱為轉矩漣波,起因大部份是來自於馬達定、轉子間的齒槽效應以及輸入電流切換時的不連續現象;不同的馬達產生的主因不完全相同,其轉矩漣波的幅度也有大小之分。這種忽大忽小的轉矩,會導致馬達震動的產生,當頻率高到某種程度時,就會轉為噪音的型式表現出來。

 

 

圖2     

 

三、轉矩漣波分析

 

由上述的說明,可以了解轉矩漣波其實就是馬達轉矩的一種現象,因此要分析轉矩漣波就需從磁阻馬達的轉矩來加以進行。

 

公式1  

 

由上式的方程式1中可知,馬達轉矩主要來自於電流( I )的大小值以及角度位置電感的變化量( dL / dθ)的值相乘所得,因此分為兩個部份進行分析。

  

電感的變化量:主要是在描述磁阻馬達定、轉子間相互的齒對位所造成的電感量的差異性,如下圖3所示,當定子齒部與轉子齒部相對齊時,電感量達到最高,而定子齒部與轉子的凹槽相對齊時,電感量降至最低點,而這中間的電感上升及下降的變化量的線段斜率,就是公式中的電感的變化量(dL/dθ)的值;在理想的假設之下,變化量的斜率為固定值,但實際的情況如圖4所示,真實量測到的電感變化量其線段的斜率是不固定的非線性系統,其值的變化是難以估測的,因此會造成轉矩輸出的不穩定性。

 

 圖3  

 

圖4     

 

電流:電流在轉矩公式中是以(I2)來計算的,因此電流的影響會更為明顯,平方倍的關係會導致電流的不穩定情況被擴大,如下圖5所示,可以明顯的觀察到,於每相電流開關切換時,都會有一突波電流值的產生,同時在關閉後還會因為電感效應造成殘餘電流對馬達轉矩造成影響。

 

 

 圖5  

 

將電流與理想電感曲線圖相重疊,如下圖6所示,藍色曲線為輸入電流,而黑色線段為電感的變化量,從圖中可直接觀察到當電感變化量為線性上升時,與電流相互作用後可產生一正向的轉矩,而切換時所產生的電流突波則因電感線段的斜率值為零,使其對轉矩漣波的影響受到抑制,但關閉後所殘留電流則會遇到電感下降,斜率為負值的區段,會造成負轉矩的產生,如圖7所示,為此電流與電感作用下所產生出來的轉矩,同時會產生正向及負向的轉矩,導致轉矩漣波幅度增加。

 

 

圖6   

 

圖7   

 

四、改善方式

 

在假設電感變化曲線圖為理想的情況下,電流是造成漣波轉矩的主要來源,因此為了使電流穩定的輸出,在磁阻馬達的驅動中常使用CCC(Chopped_Current_Control) 電流截波控制的技術,如下圖8所示,將電流值控制在iH及iL之間,使電流在切換時所產生的突波受到有效的抑制。

 

 

 圖8  

 

    另一方面則是採用電流提前導通方式,使的關閉後的殘留電流不會進入電感負斜率曲線範圍內,如下圖9所示,將電流輸入位置往前移,避免負轉矩的產生,以降低轉矩漣波的幅度大小。

 

    由圖10 ~ 14可知,適當的提前導通確實可抑制轉矩漣波的幅度,但過於提早導通,雖不至於產生負轉矩,但會導致最大轉矩下降且幅度也增加,因此在使用時必須先計算評估,且在不同轉速時提前導通的角度也會有所改變,以達到最佳的效益。

 

   

圖9 

 圖10  

 

 圖11  

圖12   

 

圖13   

圖14   

 

 

五、結論

 

磁阻馬達因其本身特性,需要較大之電感值來增加轉矩大小,而此電感值會導致電流的落後情況,故控制時須了解此一特點,進行提前導通補償,可有效降低轉矩漣波的產生,降低馬達的震動及噪音。

 

六、參考文獻

 

姚信印,切換式磁阻馬達控制策略之研究,國立成功大學電機工程學系碩士論文,民國九十年

 

張家銘,開關式磁阻馬達的設計與特性分析,逢甲大學電機工程學系碩士論文,民國九十三年

 

王順泰,數位控制之開關式磁阻馬達驅動系統研製,國立台灣科技大學電機工程學系碩士論文,民國九十一年

 

T.J.E MillerSwitched Reluctance Motors and Their Control,1993

 

AnsoftGetting Started with Maxwell and RMxprt,Help

 

路昌工業網站:http://lutron-ind.weebly.com/

 

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