直流永磁无刷电动机的转矩脉动分析

　永磁无刷电动机由于电磁因素、齿槽的影响、电流换向、电枢反应等会产生较强的脉动转矩。在设计电机和相应的控制系统时应认真考虑，采取措施，避免转矩脉动过大。

　　2.1电磁因素引起的转矩脉动

　　电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动，它与电流波形、反电动势波形、气隙磁通密度的分布有直接关系。理想情况下，定子电流为方波，反电动势波形为梯形波，平顶宽度为120°电角度，电磁转矩为恒值。而实际电机中，由于设计和制造方面的原因，可能使反电动势波形不是梯形波，或波顶宽度不为120°电角度，这样就会造成电机的扭矩脉动。

　　2.2齿槽引起的转矩脉动

　　由于定子铁心槽齿的存在，使得永磁体与对应的电枢表面的气隙磁导不均匀，当转子旋转时，使得在一个磁状态内，磁路磁阻发生变化，从而引起转矩脉动。齿槽引起的转矩脉动是转子磁场相互作用产生的，与定子电流无关。因此抑制由齿槽引起的转矩脉动的主要集中于优化电机设计上，如斜槽法。

　　2.3电流换向引起的转矩脉动

图1为电动车电机控制系统的框图，控制器工作在两两导通的状态。每隔60°电角度MOSFET换一次相。假如当前为Q1和Q5导通，则经过60°电角度，Q1和Q6导通。在Q1，Q5导通期间，电流流经AB线圈，换相后电流流经AC线圈。由于电机的线圈为电感，在切换过程中，B相的电流会以指数下降，C相的电流会以指数上升。当Q5关断后，AB相线圈的电流经过Q1→AB相线圈→Q2的体二极管续流，AB相线圈电流很快衰减为零，但是AC相的电流就需要相对较长的时间才能上升到换相前的大小。因此电机的电流出现较大的脉动。如图2a中的CH3所示。其中的电流脉动已达到12A。换相期间的电磁转矩为：

　　其中Te为电机电磁转矩，ea，eb，ec为相绕组电动势，ia，ib，ic 为相绕组电流。

　　由于换相时间很短，可近似认为ebaeca ，在换相区域内不变化，因此扭矩与电流成正比关系，电流的波动直接导致了电机转矩的波动。在低速大负载运行的情况下，电机的转矩脉动尤为明显。

　　在直流无刷永磁电机的转矩脉动原因中，前两种主要靠优化电机的设计来达到目的，对于第3种转矩脉动，我们可以通过电流补偿法来减小电机在换相过程中的转矩脉动。本文将重点介绍这种方法。