减小电流时间谐波的无刷直流电机驱动新方法：转子涡流损耗降低90%，电机铜耗降低10%
陕西省微特电机及驱动技术重点实验室（西北工业大学）的研究人员谭博、张海涛等，在2018年第18期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“一种减小无刷直流电机转子涡流损耗以及铜耗的驱动方法”），基于三相六状态方波驱动方法的无刷直流电机电流谐波较高，转子涡流损耗较大，易造成永磁体过热不可逆退磁。同时，较大的铜耗易导致电机绕组温升过高，降低电机可靠性。
提出一种基于电流规划的无刷直流电机驱动方法，该方法以三相反电动势作为状态变量，以电机转矩作为限定条件，以三相电流有效值最小作为优化目标，得出两相电流的理论给定解析值，并与两相反馈电流组成电流闭环。
分析和仿真表明，与方波驱动方法相比，该驱动方法能使转子涡流损耗以及绕组铜耗明显减小。最后，以一个82W的无刷直流电机为对象搭建测试电路和转子涡流损耗模型，对所提出的方法进行验证。
具有梯形波反电动势的无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDCM）的优势在于功率密度高、转矩密度高、以及对逆变器容量需求较小[1]，特别适用于对质量、空间以及效率有苛刻要求的场合，如新能源汽车以及多（全）电飞行器。
但是，随着电机的功率越来越大，转速越来越高，其转子涡流损耗导致永磁体的过热退磁成为制约无刷直流电机高功率密度的关键因素。这是由于转子经气隙与定子进行热传导散热，其散热条件较差，导致转子温度高于定子。较高的转子涡流损耗容易引起转子高温，增大了转子上永磁体过热失磁的风险[2-4]。
因此，减小转子涡流损耗以降低转子发热，同时减小铜耗以降低定子温度便于转子散热，有利于无刷直流电机功率密度的提高。
引起转子涡流损耗和增加电流有效值的主要因素是电枢电流的时间谐波[5]。方波驱动方式与正弦波驱动方式相比会带来较大的电流时间谐波[6]。定子电流的非连续换相是引起电流时间谐波的重要原因，并导致转子发热[7]。当前关于无刷直流电机转子涡流损耗和铜耗的研究方法主要包括转子结构研究以改变涡流感应路径，以及驱动方式研究以降低电枢电流时间谐波两种。
在转子结构研究方面，主要涉及转子永磁体和保护套的分块研究。通过采用在紧固套上开槽扰乱涡流的流通路径[8]、改变转子上永磁体的位置[9]、在转子中沿d轴方向安装阻磁片[10]、转子表面开 槽[11]和环形插入转子铁心结构[12]等方法降低转子涡流损耗。文献[13]给出了转子涡流损耗的计算公式并进行验证。在驱动方式上，
文献[14]提出了前级采用电压源实时调节母线电压，后级采用相电流闭环的方法用来减小电流时间谐波。文献[15]基于四开关三相拓扑结构，提出了一种有效的电流时间谐波抑制方法，具有易于实现、结构简单的特点。
本文针对无刷直流电机的驱动方法展开研究，不涉及转子结构研究。论文在保持功率拓扑不变的前提下，提出一种减小无刷直流电机转子涡流损耗和铜耗的驱动方法。该方法以三相反电动势作为状态变量，以电机转矩作为限定条件，以三相电流有效值最小作为优化目标，解析出两相电流的理论给定值，并与两相反馈电流组成电流闭环。
在该方法下，相电流随着反电动势连续平滑变化，避免了电流的非连续换相，从而使电流时间谐波减小，转子涡流损耗和定子铜耗降低，有利于无刷直流电机在高功率密度场合的应用。
图11 实验装置
无刷直流电机在方波驱动下存在电流的非连续换相现象，导致电流谐波含量高，转子涡流损耗和电机铜耗升高，增加了转子永磁体过热失磁的风险，限制了其在高功率密度场合的应用。本文提出了一种能够减小电流时间谐波的无刷直流电机驱动方法。
该方法以三相反电动势作为状态变量，以电机转矩作为限定条件，以三相电流有效值最小作为优化目标，解析出两相电流的理论给定值，并与两相反馈电流组成电流闭环。在仿真验证的基础上，本文搭建了一个82W的无刷直流电机硬件平台。
实验结果表明：本文提出的方法可以控制相电流使其随着反电动势而连续平滑变化，避免了电流的非连续换相，降低了电流的时间谐波；与方波方式相比，转子涡流损耗约降低90%，电机铜耗约降低10%。