內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制的多維度探索與實踐一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中，電機作為實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的關鍵設備，廣泛應用于各個領域。其中，內(nèi)置式永磁同步電機（InteriorPermanentMagnetSynchronousMotor，IPMSM）憑借其獨特的優(yōu)勢，在眾多電機類型中脫穎而出，成為研究和應用的熱點。內(nèi)置式永磁同步電機具有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度的特點。這意味著在相同的體積和重量下，它能夠輸出更大的功率和轉(zhuǎn)矩，使其在對空間和重量有嚴格限制的應用場景中具有顯著優(yōu)勢，如電動汽車、航空航天等領域。以電動汽車為例，采用內(nèi)置式永磁同步電機作為驅(qū)動電機，能夠有效提高車輛的動力性能和續(xù)航里程。同時，其寬調(diào)速范圍特性滿足了不同工況下對電機轉(zhuǎn)速的需求，無論是在低速爬坡還是高速行駛時，都能保持良好的運行性能。此外，內(nèi)置式永磁同步電機還具備弱磁能力強的優(yōu)點，在高速運行時可以通過弱磁控制實現(xiàn)恒功率運行，進一步拓展了其應用范圍。然而，內(nèi)置式永磁同步電機在運行過程中存在轉(zhuǎn)矩脈動問題，這嚴重制約了其性能的進一步提升和應用的廣泛推廣。轉(zhuǎn)矩脈動是指電機輸出轉(zhuǎn)矩隨時間的周期性波動，這種波動會引發(fā)一系列不良影響。從機械系統(tǒng)的角度來看，轉(zhuǎn)矩脈動會導致電機產(chǎn)生振動和噪聲。振動可能會使電機的零部件受到額外的應力，加速零部件的磨損，降低電機的使用壽命；噪聲則會對工作環(huán)境造成污染，影響操作人員的身心健康，尤其在對噪聲要求嚴格的場合，如家用電器、精密儀器設備等領域，過大的噪聲是無法接受的。在電動汽車中，轉(zhuǎn)矩脈動引起的振動和噪聲會降低乘坐的舒適性，影響用戶體驗。從控制精度的角度分析，轉(zhuǎn)矩脈動會降低電機的控制精度，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在一些對運動精度要求極高的應用中，如機器人關節(jié)驅(qū)動、數(shù)控機床等，轉(zhuǎn)矩脈動會導致電機的轉(zhuǎn)速和位置控制出現(xiàn)偏差，無法滿足高精度的控制需求，從而影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中，若電機的控制精度受到轉(zhuǎn)矩脈動的影響，可能會導致生產(chǎn)過程中的誤差積累，降低產(chǎn)品的合格率，增加生產(chǎn)成本。轉(zhuǎn)矩脈動還會增加電機的能量損耗，降低電機的運行效率。這不僅不符合節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念，也會增加用戶的使用成本。在能源日益緊張的今天，提高電機的運行效率對于節(jié)約能源、降低碳排放具有重要意義。抑制內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩脈動具有重要的理論意義和實際應用價值。在理論方面，深入研究轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生機理和抑制方法，有助于完善電機的設計理論和控制策略，推動電機學科的發(fā)展。通過對轉(zhuǎn)矩脈動的研究，可以進一步揭示電機內(nèi)部電磁場的分布規(guī)律和電磁力的作用機制，為電機的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。在實際應用中，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動能夠提高電機的性能和可靠性，拓展其應用領域。在電動汽車領域，降低轉(zhuǎn)矩脈動可以提升車輛的駕駛性能和乘坐舒適性，增強電動汽車的市場競爭力；在工業(yè)自動化領域，能夠提高生產(chǎn)設備的運行穩(wěn)定性和加工精度，促進工業(yè)生產(chǎn)的智能化和高效化發(fā)展。因此，開展內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法的研究具有迫切的現(xiàn)實需求和廣闊的應用前景。1.2研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)外學者針對內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制問題展開了廣泛而深入的研究，取得了一系列有價值的研究成果，這些成果主要集中在電機本體設計優(yōu)化和控制策略改進這兩個大的方向上。在電機本體設計優(yōu)化方面，眾多研究致力于通過調(diào)整電機的結構參數(shù)來改善其性能，以達到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的目的。有學者對永磁體的形狀進行優(yōu)化，通過改變永磁體的極弧系數(shù)、偏心距等參數(shù)，調(diào)整氣隙磁場的分布，從而有效減少了轉(zhuǎn)矩脈動。研究表明，合理選擇永磁體極弧系數(shù)，能夠使氣隙磁通密度的波形更加接近正弦波，降低諧波含量，進而減小齒槽轉(zhuǎn)矩和紋波轉(zhuǎn)矩。還有學者對轉(zhuǎn)子結構進行改進，如采用不同的隔磁橋形狀和尺寸設計，通過優(yōu)化隔磁橋來改變dq軸的磁阻，消除氣隙磁通密度中的低次諧波，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。文獻中采用窮舉法來計算單層磁鋼轉(zhuǎn)子隔磁橋尺寸對電機轉(zhuǎn)矩性能的影響，得到了轉(zhuǎn)矩脈動最小的隔磁橋設計參數(shù)；也有研究提出了幾種單層磁鋼轉(zhuǎn)子的異形隔磁橋形式并給出了需要設計的參數(shù)，同樣用窮舉法探索這些設計參數(shù)對電機轉(zhuǎn)矩脈動的影響。此外，定子斜槽或轉(zhuǎn)子錯極技術也是常用的抑制轉(zhuǎn)矩脈動的方法，通過使定子槽或轉(zhuǎn)子磁極沿軸向傾斜一定角度，能夠有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩和其他諧波轉(zhuǎn)矩，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。然而，這些方法也存在一定的局限性，例如會增加電機的制造成本，并且在一定程度上降低電機的輸出轉(zhuǎn)矩。在控制策略改進方面，學者們提出了多種先進的控制算法來抑制轉(zhuǎn)矩脈動。矢量控制技術是目前應用較為廣泛的一種控制方法，它通過將定子電流分解為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，分別進行獨立控制，實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)矩的精確控制，有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動。直接轉(zhuǎn)矩控制則是直接對電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行控制，具有響應速度快、控制簡單等優(yōu)點，能夠在一定程度上減小轉(zhuǎn)矩脈動。模型預測控制作為一種新興的控制策略，通過建立電機的預測模型，預測未來時刻的電機狀態(tài)，并根據(jù)優(yōu)化目標選擇最優(yōu)的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)矩脈動的有效抑制，同時還能兼顧其他控制目標，如效率優(yōu)化、電流諧波抑制等。還有一些研究將智能控制算法應用于內(nèi)置式永磁同步電機的控制中，如神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制等，這些算法具有自學習、自適應能力，能夠根據(jù)電機的運行狀態(tài)實時調(diào)整控制參數(shù)，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和適應性，對轉(zhuǎn)矩脈動的抑制效果也較為顯著。然而，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩脈動抑制技術仍存在一些不足之處。在電機本體設計優(yōu)化方面，雖然通過結構參數(shù)優(yōu)化能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動，但往往需要進行大量的仿真和實驗，設計過程較為復雜，且難以找到全局最優(yōu)解。同時，一些優(yōu)化方法會對電機的其他性能產(chǎn)生一定的影響，如降低輸出轉(zhuǎn)矩、增加成本等，需要在多個性能指標之間進行權衡。在控制策略改進方面，雖然各種先進的控制算法能夠有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動，但這些算法通常對控制系統(tǒng)的硬件要求較高，計算復雜度較大，增加了系統(tǒng)的成本和實現(xiàn)難度。此外，一些控制算法對電機參數(shù)的依賴性較強，當電機參數(shù)發(fā)生變化時，控制性能可能會受到影響，導致轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果下降。綜上所述，目前內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制技術在電機本體設計優(yōu)化和控制策略改進方面都取得了一定的成果，但仍存在一些亟待解決的問題。因此，進一步深入研究轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生機理，探索更加有效的抑制方法，具有重要的理論意義和實際應用價值。本文將在現(xiàn)有研究的基礎上，綜合考慮電機本體和控制策略兩個方面，提出一種新的轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，旨在降低轉(zhuǎn)矩脈動的同時，提高電機的整體性能和控制系統(tǒng)的可靠性。二、內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生原因剖析2.1齒槽轉(zhuǎn)矩引發(fā)的脈動2.1.1齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理齒槽轉(zhuǎn)矩是內(nèi)置式永磁同步電機中一種較為特殊的轉(zhuǎn)矩，它是在電樞繞組不通電的情況下，由永磁體和定子鐵心的齒槽相互作用產(chǎn)生的周向轉(zhuǎn)矩。當電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，永磁體與定子齒槽之間的相對位置不斷變化，這種變化導致了氣隙磁場儲能的改變，從而產(chǎn)生了齒槽轉(zhuǎn)矩。從微觀角度來看，永磁體產(chǎn)生的磁場在氣隙中分布，而定子鐵心存在齒槽結構，使得氣隙磁導呈現(xiàn)不均勻分布。當永磁體的磁極與定子齒靠近時，磁阻較小，磁場儲能相對較低；當磁極處于定子槽的位置時，磁阻較大，磁場儲能相對較高。根據(jù)“磁路磁阻最小原理”，磁力線總是傾向于沿著磁阻最小的路徑閉合，因此永磁體受到一種切向力的作用，試圖使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到磁阻最小的位置，這個切向力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就是齒槽轉(zhuǎn)矩。用數(shù)學表達式來描述，假設磁場儲能為W，轉(zhuǎn)子位置角為\theta，則齒槽轉(zhuǎn)矩T_{cog}可表示為T_{cog}=\frac{\partialW}{\partial\theta}。由于磁場儲能W是轉(zhuǎn)子位置角\theta的函數(shù)，且隨著永磁體與定子齒槽相對位置的變化而變化，所以通過對磁場儲能求關于轉(zhuǎn)子位置角的偏導數(shù)，就得到了齒槽轉(zhuǎn)矩。這種變化是周期性的，導致齒槽轉(zhuǎn)矩也呈現(xiàn)周期性變化。以一個簡單的模型為例，假設定子有Z個槽，轉(zhuǎn)子有2p個磁極，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時，永磁體與定子齒槽的相對位置會重復Z次，因此齒槽轉(zhuǎn)矩的周期數(shù)為Z和2p的最小公倍數(shù)N。在實際電機中，齒槽轉(zhuǎn)矩的波形通常不是簡單的正弦波，而是包含了多個諧波成分，這些諧波成分的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，進一步增加了齒槽轉(zhuǎn)矩的復雜性。2.1.2對轉(zhuǎn)矩脈動的具體影響齒槽轉(zhuǎn)矩的存在會對內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生顯著影響。由于齒槽轉(zhuǎn)矩是周期性變化的，它會疊加在電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩上，導致電機輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)波動，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。這種轉(zhuǎn)矩脈動會引發(fā)一系列不良后果，嚴重影響電機的性能和運行穩(wěn)定性。從電機的運行狀態(tài)來看，轉(zhuǎn)矩脈動會導致電機轉(zhuǎn)速波動。當齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值較大時，在一個周期內(nèi)，電機的輸出轉(zhuǎn)矩會有較大的起伏，使得電機在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，時而加速，時而減速。在一些對轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的應用場景中，如精密機床、機器人關節(jié)驅(qū)動等，這種轉(zhuǎn)速波動會直接影響加工精度和運動控制的準確性。在精密機床中，電機轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定可能導致加工零件的尺寸偏差增大，表面粗糙度變差，降低產(chǎn)品質(zhì)量；在機器人關節(jié)驅(qū)動中，轉(zhuǎn)速波動會使機器人的動作不夠平穩(wěn)和精確，影響其操作的準確性和可靠性。轉(zhuǎn)矩脈動還會使電機產(chǎn)生振動和噪聲。由于齒槽轉(zhuǎn)矩的周期性變化，電機內(nèi)部會產(chǎn)生周期性的電磁力，這種電磁力作用在電機的定子、轉(zhuǎn)子等部件上，引發(fā)機械振動。當振動的頻率與電機結構的固有頻率接近或相等時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，進一步放大振動的幅度，導致電機發(fā)出較大的噪聲。振動和噪聲不僅會對工作環(huán)境造成污染，影響操作人員的身心健康，還可能加速電機零部件的磨損，降低電機的使用壽命。在一些對噪聲要求嚴格的場合，如家用電器、醫(yī)療設備等，過大的振動和噪聲是無法接受的。在空調(diào)室內(nèi)機中，若電機的振動和噪聲過大，會嚴重影響用戶的使用體驗；在醫(yī)療設備中，電機的噪聲可能會干擾醫(yī)療檢測和診斷的準確性。在一些對電機性能要求極高的應用中，如航空航天、電動汽車等領域，齒槽轉(zhuǎn)矩引起的轉(zhuǎn)矩脈動會對系統(tǒng)的可靠性和安全性產(chǎn)生潛在威脅。在航空航天領域，電機作為飛行器各種設備的動力源，其性能的穩(wěn)定性直接關系到飛行安全。若電機存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動，可能會導致飛行器的姿態(tài)控制出現(xiàn)偏差，影響飛行的穩(wěn)定性和安全性；在電動汽車中，轉(zhuǎn)矩脈動會使車輛在行駛過程中產(chǎn)生頓挫感，降低乘坐的舒適性，同時還可能影響電池的使用壽命和車輛的續(xù)航里程。齒槽轉(zhuǎn)矩是內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的重要來源之一，深入了解其產(chǎn)生機理和對轉(zhuǎn)矩脈動的影響，對于研究和解決電機轉(zhuǎn)矩脈動問題具有重要意義。2.2諧波轉(zhuǎn)矩導致的脈動2.2.1諧波轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生因素諧波轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生與多種因素密切相關，其中反電動勢紋波和定子電流諧波是兩個關鍵因素。反電動勢是電機運行過程中，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割磁力線，在定子繞組中產(chǎn)生的感應電動勢。在理想情況下，反電動勢的波形應為標準的正弦波，但在實際的內(nèi)置式永磁同步電機中，由于電機結構和制造工藝等因素的影響，反電動勢往往存在紋波。永磁體的磁場分布并非完全均勻，定子鐵心的齒槽效應會使氣隙磁導不均勻，這些都會導致反電動勢波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波成分。若永磁體的磁極形狀不規(guī)則，或者在制造過程中存在一定的偏差，就會使得永磁體產(chǎn)生的磁場在氣隙中的分布不均勻，從而導致反電動勢中出現(xiàn)諧波。定子齒槽的存在會使氣隙磁導在一個齒距內(nèi)發(fā)生變化，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，這種變化會導致反電動勢產(chǎn)生波動，進而產(chǎn)生諧波。定子電流諧波也是產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩的重要原因。在電機運行時，若供電電源的電壓波形不是標準的正弦波，或者電機控制系統(tǒng)中的逆變器等電力電子器件在工作過程中產(chǎn)生了非正弦的PWM波，都會使定子電流中包含諧波成分。當采用PWM調(diào)制技術來控制電機時，由于PWM波是通過對正弦波進行斬波得到的，不可避免地會產(chǎn)生諧波，這些諧波會進入定子電流中。電機所連接的負載特性也會對定子電流產(chǎn)生影響，若負載為非線性負載，如一些電力電子設備，會導致電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波。當反電動勢中的諧波成分與定子電流中的諧波成分相互作用時，就會產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩。假設反電動勢中的某次諧波為e_{h}，定子電流中的同次諧波為i_{h}，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式T=e_{h}i_{h}/\omega（其中\(zhòng)omega為電機的角速度），可以看出，只要存在反電動勢諧波和定子電流諧波，就會產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩。這種諧波轉(zhuǎn)矩是一種非正弦的轉(zhuǎn)矩，它會隨著時間的變化而波動，從而對電機的正常運行產(chǎn)生干擾。2.2.2諧波對轉(zhuǎn)矩的干擾諧波轉(zhuǎn)矩的存在會對內(nèi)置式永磁同步電機的正常運行產(chǎn)生嚴重干擾，導致轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象的出現(xiàn)。從電機的運行原理來看，電機的輸出轉(zhuǎn)矩是由電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩相互平衡來維持穩(wěn)定運行的。而諧波轉(zhuǎn)矩的出現(xiàn)，打破了這種平衡。由于諧波轉(zhuǎn)矩是一種周期性變化的轉(zhuǎn)矩，它會疊加在電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩上，使得電機的輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)波動，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。當電機在額定轉(zhuǎn)速下運行時，若存在較大的諧波轉(zhuǎn)矩，電機的輸出轉(zhuǎn)矩會在一個周期內(nèi)出現(xiàn)明顯的起伏，導致電機在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。在不同轉(zhuǎn)速下，諧波轉(zhuǎn)矩對電機的影響存在差異。在低速運行時，電機的機械慣性較小，對轉(zhuǎn)矩波動的緩沖能力較弱，因此諧波轉(zhuǎn)矩引起的轉(zhuǎn)矩脈動對電機的影響更為顯著。低速時轉(zhuǎn)矩脈動會使電機轉(zhuǎn)速波動較大，難以保持穩(wěn)定的低速運行狀態(tài)，在一些需要精確控制低速運行的場合，如機器人關節(jié)在低速微調(diào)時，諧波轉(zhuǎn)矩導致的轉(zhuǎn)速波動會使機器人的動作不夠精確和平穩(wěn)，影響其操作的準確性。同時，低速時轉(zhuǎn)矩脈動還會使電機產(chǎn)生較大的振動和噪聲，這是因為轉(zhuǎn)矩的波動會引起電機內(nèi)部電磁力的變化，進而導致電機的機械結構產(chǎn)生振動，當振動頻率與電機結構的固有頻率接近時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，放大振動和噪聲。隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，機械慣性增大，對轉(zhuǎn)矩波動的緩沖作用增強，諧波轉(zhuǎn)矩引起的轉(zhuǎn)矩脈動對電機轉(zhuǎn)速的直接影響相對減小。但在高速運行時，諧波轉(zhuǎn)矩會導致電機的鐵耗和銅耗增加，使電機發(fā)熱加劇。這是因為諧波電流會在電機的鐵心和繞組中產(chǎn)生額外的損耗，鐵心損耗主要包括磁滯損耗和渦流損耗，諧波電流會使鐵心的磁滯損耗和渦流損耗增加；繞組中的銅耗則與電流的平方成正比，諧波電流的存在會增大繞組中的電流有效值，從而導致銅耗增加。電機發(fā)熱加劇會影響電機的絕緣性能，降低電機的使用壽命，嚴重時甚至會導致電機燒毀。諧波轉(zhuǎn)矩還會影響電機的效率和功率因數(shù)，降低電機的運行性能。在電動汽車高速行駛時，若電機存在較大的諧波轉(zhuǎn)矩，會導致電機的效率下降，影響車輛的續(xù)航里程；同時，功率因數(shù)的降低會使電網(wǎng)對電機的供電質(zhì)量下降，增加電網(wǎng)的負擔。諧波轉(zhuǎn)矩是內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的重要來源之一，深入了解其產(chǎn)生因素和對電機運行的影響，對于研究和抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動具有重要意義。2.3其他因素造成的轉(zhuǎn)矩脈動2.3.1電機結構不對稱電機結構不對稱是導致內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的一個重要因素。在一些特殊結構的電機中，如雙并列轉(zhuǎn)子永磁同步電機，為實現(xiàn)雙并列轉(zhuǎn)子結構而采用的拼接定子結構，會導致其鐵心和繞組部分缺失，進而引發(fā)電機結構不對稱。這種不對稱會打破電機內(nèi)部磁場的平衡，使得電機在運行過程中產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩波動，增加了轉(zhuǎn)矩脈動。從電機的磁場分布角度來看，結構不對稱會使氣隙磁場分布不均勻。當電機運行時，不均勻的氣隙磁場會產(chǎn)生不平衡的電磁力，這些電磁力作用在電機的轉(zhuǎn)子和定子上，導致電機產(chǎn)生振動和噪聲，同時也會使電機的輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)波動。在雙并列轉(zhuǎn)子永磁同步電機中，拼接定子結構使得定子磁路存在不對稱問題，導致氣隙磁場在不同位置的分布存在差異，這種差異會使得電機在旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子受到的電磁力大小和方向不斷變化，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。這種轉(zhuǎn)矩脈動不僅會影響電機運行時的穩(wěn)定性和可靠性，還會對電機所驅(qū)動的設備產(chǎn)生不良影響。從控制的角度看，轉(zhuǎn)矩脈動不利于電機的精準控制，增加了控制系統(tǒng)的難度和復雜性；從機械的角度看，轉(zhuǎn)矩脈動會帶來電機的振動問題，導致軸承磨損加劇，影響軸承壽命，縮短電機的整體使用壽命；從用戶使用感受的角度看，轉(zhuǎn)矩脈動會產(chǎn)生噪聲污染，降低設備的使用體驗。為了更直觀地理解電機結構不對稱對轉(zhuǎn)矩脈動的影響，通過建立電機的有限元模型進行仿真分析。在仿真中，對比正常結構電機和結構不對稱電機的轉(zhuǎn)矩輸出波形。結果顯示，結構不對稱電機的轉(zhuǎn)矩脈動明顯大于正常結構電機，其轉(zhuǎn)矩波形中含有更多的諧波成分，這些諧波成分正是由于電機結構不對稱導致的磁場不均勻所產(chǎn)生的。在實際應用中，一些采用特殊結構的內(nèi)置式永磁同步電機，由于結構不對稱問題，在運行時出現(xiàn)了明顯的振動和噪聲，通過對電機結構進行優(yōu)化，減少結構不對稱性，有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動，提高了電機的運行性能。電機結構不對稱是影響內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的一個不可忽視的因素，在電機設計和制造過程中，需要充分考慮結構的對稱性，以降低轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機的性能和可靠性。2.3.2永磁材料特性及溫度變化永磁材料作為內(nèi)置式永磁同步電機的關鍵組成部分，其特性對電機的性能有著至關重要的影響，而永磁材料特性的變化以及運行過程中的溫度變化，都會導致電機轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生。不同類型的永磁材料具有不同的磁性能，如剩磁、矯頑力等。這些磁性能參數(shù)直接決定了永磁體產(chǎn)生的磁場強度和穩(wěn)定性。以常見的釹鐵硼永磁材料為例，其具有高剩磁、高矯頑力的特點，能夠產(chǎn)生較強的磁場，使電機具有較高的轉(zhuǎn)矩密度和效率。然而，不同牌號的釹鐵硼永磁材料在磁性能上也存在差異，若在電機設計中選擇了不合適的永磁材料，可能會導致電機的磁場分布不理想，從而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動。若永磁材料的剩磁不足，會使電機的氣隙磁場減弱，電磁轉(zhuǎn)矩減小，為了滿足負載需求，電機需要更大的電流，這會導致定子電流諧波增加，進而增大轉(zhuǎn)矩脈動。永磁材料的溫度特性也是影響電機轉(zhuǎn)矩脈動的重要因素。隨著電機運行時間的增加或工作環(huán)境溫度的變化，永磁材料的溫度會發(fā)生改變，其磁性能也會隨之變化。一般來說，永磁材料的剩磁會隨著溫度的升高而降低，矯頑力也會有所下降。當永磁材料溫度升高時，剩磁的降低會導致氣隙磁場減弱，電機的輸出轉(zhuǎn)矩減小；同時，由于磁場的變化，電機內(nèi)部的電磁力平衡被打破，會產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩波動，增加了轉(zhuǎn)矩脈動。在電動汽車等應用場景中，電機在長時間高速運行或頻繁啟停時，會產(chǎn)生大量的熱量，導致永磁材料溫度升高，若不采取有效的散熱措施，永磁材料的磁性能下降，會使電機的轉(zhuǎn)矩脈動明顯增大，影響車輛的動力性能和駕駛舒適性。為了研究永磁材料特性及溫度變化對轉(zhuǎn)矩脈動的影響，通過實驗和仿真相結合的方法進行分析。在實驗中，對不同溫度下的永磁材料進行磁性能測試，并將其應用于電機中，測量電機的轉(zhuǎn)矩輸出；在仿真中，建立考慮永磁材料溫度特性的電機模型，模擬不同工況下電機的運行情況。實驗和仿真結果均表明，永磁材料特性的差異以及溫度變化會顯著影響電機的轉(zhuǎn)矩脈動，在電機設計和運行過程中，需要充分考慮這些因素，采取相應的措施來降低轉(zhuǎn)矩脈動，如選擇溫度穩(wěn)定性好的永磁材料、優(yōu)化電機的散熱結構等。三、內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制的結構優(yōu)化方法3.1轉(zhuǎn)子結構優(yōu)化策略3.1.1隔磁橋優(yōu)化設計在內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子結構中，隔磁橋起著至關重要的作用，它對電機的轉(zhuǎn)矩性能有著顯著的影響。以單層磁鋼轉(zhuǎn)子為例，其隔磁橋的尺寸和形狀是影響電機性能的關鍵因素。為了找到最優(yōu)的隔磁橋設計方案，采用窮舉法來系統(tǒng)地計算隔磁橋尺寸對電機轉(zhuǎn)矩性能的影響。窮舉法是一種在所有可能的解空間中進行全面搜索的方法，通過對每個可能的解進行評估，找出滿足特定條件的最優(yōu)解。在隔磁橋優(yōu)化設計中，將隔磁橋的尺寸參數(shù)進行離散化處理，設定一系列不同的尺寸值，如隔磁橋的寬度、長度、厚度等。然后，針對每一組尺寸參數(shù)，利用有限元分析軟件建立電機的模型，對電機的轉(zhuǎn)矩性能進行仿真計算。通過這種方式，能夠全面地了解不同隔磁橋尺寸下電機的轉(zhuǎn)矩脈動、平均轉(zhuǎn)矩等性能指標的變化情況。在實際計算過程中，假設隔磁橋的寬度從最小值b_{min}開始，以一定的步長\Deltab逐漸增加到最大值b_{max}，長度從l_{min}以步長\Deltal增加到l_{max}，厚度從t_{min}以步長\Deltat增加到t_{max}。對于每一組組合(b_i,l_j,t_k)（其中i=1,2,\cdots,n_1；j=1,2,\cdots,n_2；k=1,2,\cdots,n_3，n_1=(b_{max}-b_{min})/\Deltab+1，n_2=(l_{max}-l_{min})/\Deltal+1，n_3=(t_{max}-t_{min})/\Deltat+1），都進行一次有限元仿真分析，得到該組參數(shù)下電機的轉(zhuǎn)矩性能數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析和比較，可以得到轉(zhuǎn)矩脈動最小的隔磁橋設計參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，隔磁橋的寬度對電機的磁阻有顯著影響。當隔磁橋?qū)挾容^小時，磁阻較小，永磁體的漏磁現(xiàn)象較為嚴重，這會導致電機的氣隙磁場分布不均勻，諧波含量增加，從而增大轉(zhuǎn)矩脈動。隨著隔磁橋?qū)挾鹊脑黾?，磁阻增大，漏磁減少，氣隙磁場分布得到改善，轉(zhuǎn)矩脈動相應減小。然而，當隔磁橋?qū)挾冗^大時，會使電機的磁導率降低，影響電機的電磁性能，導致平均轉(zhuǎn)矩下降。因此，在優(yōu)化隔磁橋?qū)挾葧r，需要在轉(zhuǎn)矩脈動和平均轉(zhuǎn)矩之間進行權衡，找到一個最佳的寬度值。隔磁橋的形狀也對電機的轉(zhuǎn)矩性能有著重要影響。除了傳統(tǒng)的矩形隔磁橋外，還可以設計一些異形隔磁橋，如梯形、弧形等。不同形狀的隔磁橋會改變電機內(nèi)部的磁場分布，進而影響轉(zhuǎn)矩脈動。梯形隔磁橋可以使磁場在隔磁橋區(qū)域的分布更加均勻，減少磁場的突變，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。通過對不同形狀隔磁橋的仿真分析，同樣用窮舉法探索這些設計參數(shù)對電機轉(zhuǎn)矩脈動的影響，找到最適合的隔磁橋形狀。在實際應用中，需要根據(jù)電機的具體工作要求和性能指標，綜合考慮隔磁橋的尺寸和形狀，以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩脈動的有效抑制。3.1.2轉(zhuǎn)子虛槽的應用在對內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)子結構進行優(yōu)化時，引入轉(zhuǎn)子虛槽的概念是一種有效的方法。轉(zhuǎn)子虛槽是將轉(zhuǎn)子隔磁橋進行抽象處理得到的，它與傳統(tǒng)的實際槽有著不同的特性和作用。將轉(zhuǎn)子隔磁橋抽象為轉(zhuǎn)子虛槽的原理在于，隔磁橋的存在會改變轉(zhuǎn)子的磁導分布，類似于在轉(zhuǎn)子上開設了一些虛擬的槽。這些虛擬的槽雖然在物理結構上并不存在實際的開槽，但它們對電機磁場的影響與實際槽有相似之處。通過將隔磁橋等效為虛槽，可以從新的角度來分析和優(yōu)化電機的性能。轉(zhuǎn)子虛槽的位置對電機的轉(zhuǎn)矩性能有著重要影響。不同位置的虛槽會導致電機氣隙磁場的分布發(fā)生變化，從而影響電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動。當虛槽位于特定位置時，能夠改變氣隙磁場中諧波的分布，使諧波相互抵消或削弱，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。通過有限元分析軟件對不同虛槽位置下的電機磁場進行仿真計算，可以直觀地觀察到氣隙磁場的變化情況以及轉(zhuǎn)矩脈動的大小。在優(yōu)化轉(zhuǎn)子虛槽位置時，需要遵循一定的原則。應盡量使虛槽的位置能夠使氣隙磁場中的低次諧波得到有效削弱。低次諧波是導致轉(zhuǎn)矩脈動的主要成分之一，通過合理設置虛槽位置，改變磁場的分布，使低次諧波的幅值減小，能夠顯著降低轉(zhuǎn)矩脈動。虛槽的位置還應考慮電機的整體結構和磁路分布，避免對電機的其他性能產(chǎn)生不利影響。在設計虛槽位置時，要確保電機的磁路順暢，不會因為虛槽的存在而導致磁阻過大或磁場分布不均勻，影響電機的平均轉(zhuǎn)矩和效率。為了驗證轉(zhuǎn)子虛槽位置優(yōu)化的效果，以一臺具體的內(nèi)置式永磁同步電機為例進行實驗研究。在實驗中，制作了不同虛槽位置的電機樣機，并對其轉(zhuǎn)矩性能進行測試。測試結果表明，經(jīng)過優(yōu)化后的虛槽位置，電機的轉(zhuǎn)矩脈動明顯降低，平均轉(zhuǎn)矩也保持在較好的水平。與未優(yōu)化虛槽位置的電機相比，優(yōu)化后的電機在運行時更加平穩(wěn)，振動和噪聲明顯減小，提高了電機的整體性能和可靠性。3.2定子結構改進措施3.2.1定子斜槽技術定子斜槽技術是一種常用的抑制內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法，其原理基于電機內(nèi)部磁場的分布特性和電磁力的作用機制。當電機的定子采用斜槽結構時，定子槽沿軸向不再是直的，而是具有一定的傾斜角度。這種傾斜結構使得氣隙磁場在軸向方向上的分布發(fā)生改變，進而影響了齒槽轉(zhuǎn)矩和其他諧波轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。從齒槽轉(zhuǎn)矩的角度來看，齒槽轉(zhuǎn)矩是由于永磁體與定子齒槽之間的相互作用產(chǎn)生的。在常規(guī)的直槽定子結構中，永磁體與定子齒在圓周方向上的相對位置變化是同步的，這導致齒槽轉(zhuǎn)矩在一個周期內(nèi)的變化較為集中，諧波成分較大。而采用定子斜槽后，由于定子槽的傾斜，永磁體與定子齒在圓周方向上的相對位置變化不再同步，而是在軸向方向上有一定的錯位。這種錯位使得齒槽轉(zhuǎn)矩在軸向方向上被分散，其諧波成分相互抵消或削弱，從而降低了齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值。假設齒槽轉(zhuǎn)矩可以分解為多個諧波分量，對于第n次諧波，其幅值為T_{cog,n}，在直槽結構中，這些諧波分量在同一相位上疊加，使得總的齒槽轉(zhuǎn)矩幅值較大；而在斜槽結構中，由于各諧波分量在軸向方向上的相位發(fā)生變化，疊加后的總齒槽轉(zhuǎn)矩幅值T_{cog,total}會減小，即T_{cog,total}<\sum_{n=1}^{N}T_{cog,n}。對于諧波轉(zhuǎn)矩，定子斜槽同樣能起到抑制作用。諧波轉(zhuǎn)矩主要是由反電動勢和定子電流中的諧波相互作用產(chǎn)生的。定子斜槽改變了氣隙磁場的分布，使得反電動勢中的諧波含量減少，從而削弱了諧波轉(zhuǎn)矩。當定子斜槽角度合適時，氣隙磁場的分布更加接近正弦波，反電動勢中的高次諧波被有效抑制，進而減少了諧波轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。然而，定子斜槽技術也存在一些缺點。一方面，它會增加電機的制造成本。斜槽結構的加工難度較大，需要專門的加工設備和工藝，這會提高電機的生產(chǎn)制造費用。在斜槽加工過程中，對加工精度的要求較高，若精度控制不好，會影響電機的性能，這進一步增加了加工成本。另一方面，定子斜槽會在一定程度上降低電機的輸出轉(zhuǎn)矩。由于斜槽結構使得電機的有效鐵心長度在圓周方向上有所減小，導致電機的電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力下降。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式T=k_{t}\PhiI_{a}（其中k_{t}為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，\Phi為氣隙磁通，I_{a}為電樞電流），有效鐵心長度的減小會使氣隙磁通\Phi減小，從而導致輸出轉(zhuǎn)矩T降低。在實際應用中，需要綜合考慮轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果、制造成本和輸出轉(zhuǎn)矩等因素，合理選擇定子斜槽的角度和參數(shù)，以達到最佳的性能平衡。3.2.2定子齒開輔助槽定子齒開輔助槽是一種有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩、抑制轉(zhuǎn)矩脈動的方法，其原理基于改變電機氣隙磁場的分布和增加齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波周期數(shù)。當在定子齒上開設輔助槽時，會改變定子齒周圍的磁導分布。輔助槽的存在使得氣隙磁導在一個齒距內(nèi)的變化更加復雜，從而影響了永磁體與定子齒之間的相互作用。從能量的角度來看，齒槽轉(zhuǎn)矩是由于永磁體與定子齒之間的磁場儲能變化產(chǎn)生的。輔助槽的開設改變了磁場儲能的分布，使得磁場儲能在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的變化更加平緩，從而降低了齒槽轉(zhuǎn)矩。輔助槽的開設還增加了齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波周期數(shù)。根據(jù)齒槽轉(zhuǎn)矩的特性，其諧波周期數(shù)與定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)有關。開設輔助槽后，相當于增加了虛擬的槽數(shù)，改變了齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波結構。假設原來的齒槽轉(zhuǎn)矩主要由n次諧波主導，其周期為T_{n}，開設輔助槽后，會引入新的諧波成分，這些諧波成分的周期與原來的不同，它們之間相互作用，使得總的齒槽轉(zhuǎn)矩幅值降低。通過合理設計輔助槽的位置、寬度和深度等參數(shù)，可以使輔助槽引起的齒槽轉(zhuǎn)矩與原有的齒槽轉(zhuǎn)矩相互抵消或削弱，從而達到降低齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。在實際應用中，定子齒開輔助槽取得了良好的效果。以某型號的內(nèi)置式永磁同步電機為例，在未開輔助槽時，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩較大，導致電機運行時的轉(zhuǎn)矩脈動明顯，振動和噪聲也較大。通過在定子齒上開設合適參數(shù)的輔助槽后，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩大幅降低，轉(zhuǎn)矩脈動得到了有效抑制。實驗測試結果表明，齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值降低了約[X]%，電機的振動和噪聲也顯著減小，提高了電機的運行穩(wěn)定性和可靠性。同時，通過有限元仿真分析也驗證了定子齒開輔助槽對降低齒槽轉(zhuǎn)矩的有效性，仿真結果與實驗結果基本一致。四、內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制的控制策略4.1基于電流控制的策略4.1.1PID控制算法在電流控制中的應用PID（Proportional-Integral-Derivative）控制算法作為一種經(jīng)典的控制算法，在工業(yè)控制領域有著廣泛的應用，在內(nèi)置式永磁同步電機的電流控制中也發(fā)揮著重要作用。其基本原理是通過對給定值與反饋值之間的偏差進行比例、積分和微分運算，從而輸出控制信號來調(diào)節(jié)被控對象。在內(nèi)置式永磁同步電機的控制系統(tǒng)中，PID控制算法主要用于調(diào)節(jié)定子電流。以矢量控制為例，通過將定子電流分解為d軸電流（勵磁電流）和q軸電流（轉(zhuǎn)矩電流），分別對d軸電流和q軸電流進行PID控制。假設給定的d軸電流參考值為i_jxflfhn^{*}，實際測量得到的d軸電流反饋值為i_frrjhxh，則d軸電流的偏差e_xrnvlnx=i_jldnvrx^{*}-i_ddbdjpv。PID控制器根據(jù)這個偏差計算出控制信號u_nxllhhf，其計算公式為u_zjrhnpf=K_{p}e_hpndxlj+K_{i}\int_{0}^{t}e_zzhbhvxdt+K_xxvvrpj\frac{de_rtxndjf}{dt}，其中K_{p}為比例系數(shù)，K_{i}為積分系數(shù)，K_rzppfpv為微分系數(shù)。同樣地，對于q軸電流，給定的q軸電流參考值為i_{q}^{*}，實際測量得到的q軸電流反饋值為i_{q}，偏差e_{q}=i_{q}^{*}-i_{q}，通過類似的PID算法計算出控制信號u_{q}。通過PID控制算法對定子電流的精確調(diào)節(jié)，能夠有效地減小定子磁場脈動。因為定子電流的平穩(wěn)性直接影響著定子磁場的分布和變化，當定子電流的波動被抑制時，定子磁場也會更加穩(wěn)定，從而減少了由于定子磁場脈動而引起的轉(zhuǎn)矩脈動。在電機啟動過程中，PID控制器能夠根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速和負載情況，快速調(diào)整定子電流，使電機能夠平穩(wěn)啟動，減少啟動過程中的轉(zhuǎn)矩沖擊；在電機運行過程中，當負載發(fā)生變化時，PID控制器能夠及時響應，調(diào)整定子電流，保持電機輸出轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，降低轉(zhuǎn)矩脈動。PID控制算法具有原理簡單、易于實現(xiàn)、可靠性高的優(yōu)點，能夠在一定程度上有效地抑制內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩脈動。然而，PID控制算法也存在一些局限性，它對電機參數(shù)的變化較為敏感，當電機參數(shù)發(fā)生變化時，如定子電阻、電感等參數(shù)隨溫度變化而改變，PID控制器的參數(shù)可能不再是最優(yōu)的，從而導致控制性能下降，轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果變差。在實際應用中，需要對PID控制器的參數(shù)進行合理整定，以適應不同的運行工況。4.1.2模糊控制算法優(yōu)化電流控制模糊控制算法作為一種智能控制算法，能夠有效地彌補PID控制算法的不足，通過對電流控制的優(yōu)化，達到更好的抑制轉(zhuǎn)矩脈動效果。模糊控制算法的基本原理是模仿人類的思維和決策方式，將人的經(jīng)驗和知識轉(zhuǎn)化為控制規(guī)則。它不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，而是通過模糊化、模糊推理和去模糊化三個步驟來實現(xiàn)控制。在內(nèi)置式永磁同步電機的電流控制中，模糊控制算法以電流偏差和電流偏差變化率作為輸入量，通過模糊推理得到PID控制器的三個參數(shù)K_{p}、K_{i}、K_blpvltz的調(diào)整量，從而實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線自整定。具體來說，首先將電流偏差e和電流偏差變化率\Deltae進行模糊化處理，將其轉(zhuǎn)化為模糊語言變量。通常將電流偏差和電流偏差變化率劃分為多個模糊子集，如{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。根據(jù)實際運行經(jīng)驗和專家知識，制定模糊控制規(guī)則。若電流偏差為正大，且電流偏差變化率也為正大，則說明電流上升過快，需要增大比例系數(shù)K_{p}，減小積分系數(shù)K_{i}，以加快對電流的調(diào)節(jié)速度，同時避免積分項過大導致超調(diào)；若電流偏差為零，電流偏差變化率也為零，則說明系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時可以適當減小比例系數(shù)K_{p}，增大積分系數(shù)K_{i}，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。這些模糊控制規(guī)則以“if-then”的形式表示，組成模糊控制規(guī)則庫。然后，通過模糊推理機制，根據(jù)模糊控制規(guī)則和輸入的模糊變量，得出PID參數(shù)的調(diào)整量。模糊推理通常采用Mamdani推理法或Takagi-Sugeno推理法。在Mamdani推理法中，根據(jù)模糊控制規(guī)則確定輸出模糊集合，再通過合成運算得到總的輸出模糊集合。最后，將得到的PID參數(shù)調(diào)整量進行去模糊化處理，將模糊量轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)值，用于實時調(diào)整PID控制器的參數(shù)。常用的去模糊化方法有重心法、最大隸屬度法等。通過模糊控制算法對PID參數(shù)的在線自整定，能夠使PID控制器更好地適應電機參數(shù)的變化和不同的運行工況。當電機負載發(fā)生突變時，模糊控制算法能夠迅速調(diào)整PID參數(shù)，使電機的電流能夠快速跟蹤給定值，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動。在電機低速運行時，模糊控制算法可以根據(jù)實際情況調(diào)整PID參數(shù)，提高電機的低速性能，減少低速時的轉(zhuǎn)矩脈動。與傳統(tǒng)的PID控制算法相比，模糊控制優(yōu)化后的電流控制能夠更有效地抑制內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機的運行穩(wěn)定性和控制精度。4.2轉(zhuǎn)子位置估計與控制結合4.2.1轉(zhuǎn)子位置估計方法準確估計轉(zhuǎn)子位置是實現(xiàn)內(nèi)置式永磁同步電機精確控制的關鍵環(huán)節(jié)，目前常用的轉(zhuǎn)子位置估計方法主要有基于傳感器的方法和無傳感器的方法。基于傳感器的方法中，霍爾傳感器是一種較為常見的選擇?；魻杺鞲衅骼没魻栃獊頇z測磁場的變化，從而確定轉(zhuǎn)子的位置。當轉(zhuǎn)子上的永磁體旋轉(zhuǎn)時，其產(chǎn)生的磁場會使霍爾傳感器輸出不同的電壓信號，通過對這些信號的處理和分析，就可以得到轉(zhuǎn)子的位置信息。霍爾傳感器具有結構簡單、成本較低、可靠性較高的優(yōu)點，在一些對精度要求不是特別高的場合得到了廣泛應用。其精度相對有限，一般只能提供離散的位置信號，無法滿足高精度控制的需求。利用電壓和電流的相位差來估計轉(zhuǎn)子位置也是一種可行的方法。在電機運行過程中，定子電壓和電流之間存在一定的相位關系，這個相位關系與轉(zhuǎn)子位置密切相關。通過測量定子電壓和電流，并對其進行相位分析，可以計算出轉(zhuǎn)子的位置。這種方法不需要額外安裝傳感器，成本較低，但它對電機參數(shù)的依賴性較強，當電機參數(shù)發(fā)生變化時，估計精度會受到影響。為了提高轉(zhuǎn)子位置估計的精度和可靠性，可以采用一些優(yōu)化算法，卡爾曼濾波算法就是其中之一?？柭鼮V波是一種基于線性最小均方誤差估計的算法，它能夠?qū)ο到y(tǒng)的狀態(tài)進行最優(yōu)估計。在內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置估計中，卡爾曼濾波算法將電機的狀態(tài)（如轉(zhuǎn)子位置、速度等）作為待估計的量，通過建立電機的狀態(tài)方程和觀測方程，利用前一時刻的估計值和當前時刻的觀測值，對當前時刻的狀態(tài)進行最優(yōu)估計。假設電機的狀態(tài)方程為x_{k}=A_{k}x_{k-1}+B_{k}u_{k}+w_{k}，觀測方程為z_{k}=H_{k}x_{k}+v_{k}，其中x_{k}為k時刻的狀態(tài)向量，A_{k}為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，B_{k}為控制輸入矩陣，u_{k}為控制輸入向量，w_{k}為過程噪聲，z_{k}為觀測向量，H_{k}為觀測矩陣，v_{k}為觀測噪聲。卡爾曼濾波算法通過不斷地迭代計算，能夠有效地濾除噪聲的干擾，提高轉(zhuǎn)子位置估計的精度。與其他估計方法相比，卡爾曼濾波算法具有良好的抗干擾能力和動態(tài)性能，能夠在電機運行過程中快速準確地估計轉(zhuǎn)子位置。4.2.2基于轉(zhuǎn)子位置的綜合控制策略基于準確估計的轉(zhuǎn)子位置，制定合理的綜合控制策略是抑制內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的關鍵。在電機運行過程中，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置實時調(diào)整定子電流，能夠?qū)崿F(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的精確控制，從而有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動。在矢量控制中，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置確定定子電流的空間矢量方向是實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制的基礎。通過坐標變換，將三相靜止坐標系下的定子電流轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系（d-q坐標系）下，得到d軸電流（勵磁電流）和q軸電流（轉(zhuǎn)矩電流）。在d-q坐標系下，根據(jù)電機的運行狀態(tài)和控制目標，實時調(diào)整d軸電流和q軸電流的大小。當電機需要輸出較大轉(zhuǎn)矩時，可以適當增大q軸電流；當需要保持電機的磁場穩(wěn)定時，可以對d軸電流進行調(diào)整。通過這種方式，能夠使定子電流產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，減少轉(zhuǎn)矩脈動。為了進一步抑制轉(zhuǎn)矩脈動，還可以結合其他控制方法。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和磁鏈估計值，直接對電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行控制。通過選擇合適的電壓矢量，使電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈快速跟蹤給定值，減少轉(zhuǎn)矩和磁鏈的波動，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。在模型預測控制中，利用轉(zhuǎn)子位置信息建立電機的預測模型，預測未來時刻的電機狀態(tài)，并根據(jù)優(yōu)化目標選擇最優(yōu)的控制策略。通過對多個控制變量（如電流、電壓、轉(zhuǎn)矩等）的綜合優(yōu)化，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩脈動的有效抑制。在實際應用中，基于轉(zhuǎn)子位置的綜合控制策略能夠取得良好的效果。以電動汽車用內(nèi)置式永磁同步電機為例，在車輛行駛過程中，電機的運行工況復雜多變，需要頻繁地調(diào)整轉(zhuǎn)矩。通過采用基于轉(zhuǎn)子位置的綜合控制策略，能夠根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)（如加速、減速、爬坡等）實時調(diào)整定子電流，使電機輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動，提高車輛的駕駛舒適性和動力性能。實驗結果表明，采用該控制策略后，電機的轉(zhuǎn)矩脈動明顯降低，振動和噪聲也得到了有效控制，電機的運行效率和可靠性得到了顯著提高。五、內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制的案例分析5.1電動汽車用電機案例5.1.1電機參數(shù)與應用場景本案例選用一款8極48槽的內(nèi)置式永磁同步電機，該電機主要應用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)。在電動汽車領域，電機作為核心動力部件，其性能直接影響著車輛的動力性、舒適性和續(xù)航里程等關鍵指標。該電機的主要參數(shù)如下：額定功率為[X]kW，額定轉(zhuǎn)速為[X]r/min，額定轉(zhuǎn)矩為[X]N?m，永磁體采用釹鐵硼材料，其剩磁密度為[X]T，矯頑力為[X]kA/m。定子外徑為[X]mm，內(nèi)徑為[X]mm，鐵心長度為[X]mm。繞組采用星型連接，槽滿率為[X]%。這些參數(shù)的設計是根據(jù)電動汽車的實際需求來確定的，以滿足車輛在不同工況下的運行要求。在電動汽車的實際運行中，電機需要頻繁地啟動、加速、減速和爬坡等，工況復雜多變。在啟動階段，電機需要輸出較大的轉(zhuǎn)矩，以克服車輛的慣性，使車輛能夠快速平穩(wěn)地啟動；在加速過程中，電機需要根據(jù)駕駛員的需求，迅速調(diào)整轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)車輛的快速加速；在減速時，電機需要進行能量回收，將車輛的動能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電池，提高能量利用率；在爬坡時，電機需要輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，以保證車輛能夠順利爬上斜坡。在這些不同的工況下，電機的運行狀態(tài)不斷變化，對電機的轉(zhuǎn)矩性能提出了很高的要求。若電機存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動，會使車輛在行駛過程中產(chǎn)生頓挫感，降低乘坐的舒適性，同時還可能影響電池的使用壽命和車輛的續(xù)航里程。因此，抑制該電機的轉(zhuǎn)矩脈動對于提高電動汽車的性能具有重要意義。5.1.2轉(zhuǎn)矩脈動抑制方案實施與效果針對該8極48槽電動汽車用內(nèi)置式永磁同步電機，采用基于轉(zhuǎn)子結構優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩脈動抑制方案。首先，對轉(zhuǎn)子隔磁橋進行優(yōu)化設計。通過窮舉法計算不同隔磁橋尺寸對電機轉(zhuǎn)矩性能的影響，設定隔磁橋?qū)挾葟腫X_1]mm以步長[X_2]mm變化到[X_3]mm，長度從[X_4]mm以步長[X_5]mm變化到[X_6]mm，厚度從[X_7]mm以步長[X_8]mm變化到[X_9]mm。利用有限元分析軟件對每一組隔磁橋尺寸參數(shù)進行仿真計算，得到電機的轉(zhuǎn)矩脈動、平均轉(zhuǎn)矩等性能指標。經(jīng)過大量的仿真分析，發(fā)現(xiàn)當隔磁橋?qū)挾葹閇X_{opt1}]mm、長度為[X_{opt2}]mm、厚度為[X_{opt3}]mm時，電機的轉(zhuǎn)矩脈動最小，同時平均轉(zhuǎn)矩也能滿足電動汽車的運行要求。對轉(zhuǎn)子虛槽進行優(yōu)化。將轉(zhuǎn)子隔磁橋抽象為轉(zhuǎn)子虛槽，通過有限元分析軟件研究不同虛槽位置對電機轉(zhuǎn)矩性能的影響。經(jīng)過多次仿真計算，確定了最佳的虛槽位置，使電機的氣隙磁場分布得到優(yōu)化，有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動。在完成轉(zhuǎn)子結構優(yōu)化設計后，制作了優(yōu)化后的電機樣機，并進行了實驗測試。實驗結果與優(yōu)化前的電機進行對比，結果顯示：優(yōu)化前，電機的轉(zhuǎn)矩脈動幅值為[X_{before}]N?m，優(yōu)化后，轉(zhuǎn)矩脈動幅值降低到[X_{after}]N?m，降低了約[X_{reduction}]%；在平均轉(zhuǎn)矩方面，優(yōu)化前平均轉(zhuǎn)矩為[X_{avg1}]N?m，優(yōu)化后平均轉(zhuǎn)矩為[X_{avg2}]N?m，略有提升。同時，通過振動測試和噪聲測試發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的電機振動和噪聲明顯減小，提高了電機的運行穩(wěn)定性和舒適性。這表明基于轉(zhuǎn)子結構優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩脈動抑制方案在該電動汽車用內(nèi)置式永磁同步電機上取得了良好的效果，有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動，提升了電機的整體性能，為提高電動汽車的駕駛體驗和性能提供了有力支持。5.2工業(yè)應用電機案例5.2.1工業(yè)電機的特點與需求在工業(yè)應用中，內(nèi)置式永磁同步電機展現(xiàn)出一系列獨特的特點，這些特點與工業(yè)生產(chǎn)的實際需求緊密相關，同時也對轉(zhuǎn)矩脈動抑制提出了特殊的要求。工業(yè)電機通常需要在不同的負載條件下運行，負載的變化范圍較大。從空載啟動到滿載運行，甚至在過載情況下短暫工作，電機都要能夠穩(wěn)定運行并提供足夠的轉(zhuǎn)矩。在工業(yè)生產(chǎn)線上，電機可能需要驅(qū)動不同重量的物料傳輸，或者在不同的加工工藝中承受不同的阻力，這就要求電機的轉(zhuǎn)矩輸出具有良好的穩(wěn)定性，以保證生產(chǎn)過程的連續(xù)性和可靠性。若電機在負載變化時轉(zhuǎn)矩脈動過大，會導致生產(chǎn)線的運行不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在紡織工業(yè)中，電機驅(qū)動紡織機械進行紗線的紡織和布匹的生產(chǎn)，若電機轉(zhuǎn)矩脈動大，會使紗線的張力不穩(wěn)定，導致紗線粗細不均勻，影響布匹的質(zhì)量。工業(yè)應用對電機的運行精度和穩(wěn)定性要求較高。在一些精密加工領域，如數(shù)控機床、電子制造設備等，電機需要精確控制運動部件的位置和速度，以保證加工精度。在數(shù)控機床中，電機驅(qū)動工作臺進行精確的位移，若電機存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動，會導致工作臺的運動出現(xiàn)偏差，影響零件的加工精度，甚至可能導致加工廢品的產(chǎn)生。在電子制造設備中，電機用于驅(qū)動芯片封裝、電路板貼片等高精度操作，轉(zhuǎn)矩脈動會使設備的操作精度下降，降低產(chǎn)品的良品率。工業(yè)環(huán)境通常較為惡劣，電機可能會受到高溫、高濕度、灰塵、振動等因素的影響。這些惡劣的工作環(huán)境對電機的可靠性提出了挑戰(zhàn)，要求電機在復雜的環(huán)境條件下仍能穩(wěn)定運行。在鋼鐵廠、水泥廠等工業(yè)場所，電機周圍存在大量的灰塵和高溫環(huán)境，電機的散熱和絕緣性能面臨考驗。若電機的轉(zhuǎn)矩脈動較大，會增加電機的能量損耗，導致電機發(fā)熱加劇，進一步影響電機在惡劣環(huán)境下的可靠性。在這種復雜的工業(yè)應用背景下，對轉(zhuǎn)矩脈動抑制的需求尤為迫切。有效的轉(zhuǎn)矩脈動抑制能夠提高電機的運行穩(wěn)定性和可靠性，減少設備的維護成本，延長設備的使用壽命。通過降低轉(zhuǎn)矩脈動，可以減少電機振動和噪聲，改善工作環(huán)境，提高操作人員的工作舒適度。抑制轉(zhuǎn)矩脈動還能夠提高電機的能量利用效率，降低能耗，符合工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能減排的發(fā)展趨勢。5.2.2針對性抑制方法及成效針對工業(yè)應用中內(nèi)置式永磁同步電機的特點和需求，采用了一系列針對性的轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，并取得了顯著的成效。在電機本體結構優(yōu)化方面，結合工業(yè)電機的實際運行工況，對定子和轉(zhuǎn)子結構進行了優(yōu)化設計。對于定子結構，采用了定子斜槽技術和定子齒開輔助槽的方法。通過合理選擇定子斜槽的角度，在有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的同時，盡量減少對電機輸出轉(zhuǎn)矩的影響。在某工業(yè)電機中，將定子斜槽角度設置為[X]度，經(jīng)過實驗測試，齒槽轉(zhuǎn)矩降低了約[X]%，轉(zhuǎn)矩脈動得到了明顯改善。同時，在定子齒上開設輔助槽，根據(jù)電機的具體參數(shù)和運行要求，精確設計輔助槽的位置、寬度和深度。在另一款工業(yè)電機中，通過優(yōu)化輔助槽參數(shù)，齒槽轉(zhuǎn)矩降低了[X]%，電機的振動和噪聲明顯減小，運行穩(wěn)定性顯著提高。對于轉(zhuǎn)子結構，對隔磁橋進行了優(yōu)化設計，并應用了轉(zhuǎn)子虛槽技術。通過大量的仿真分析和實驗研究，確定了適合工業(yè)電機的隔磁橋尺寸和形狀。在一款用于工業(yè)起重機的內(nèi)置式永磁同步電機中，優(yōu)化后的隔磁橋使電機的轉(zhuǎn)矩脈動降低了[X]%，平均轉(zhuǎn)矩提高了[X]%，滿足了起重機在不同負載下對電機轉(zhuǎn)矩性能的要求。通過合理設置轉(zhuǎn)子虛槽的位置，改善了電機氣隙磁場的分布，進一步降低了轉(zhuǎn)矩脈動。在實際應用中，采用轉(zhuǎn)子虛槽技術的工業(yè)電機，轉(zhuǎn)矩脈動降低了[X]%左右，提高了電機的運行精度和穩(wěn)定性。在控制策略方面，采用了先進的控制算法來抑制轉(zhuǎn)矩脈動。結合工業(yè)電機負載變化頻繁的特點，采用了模糊自適應PID控制算法。該算法能夠根據(jù)電機的運行狀態(tài)和負載變化，實時調(diào)整PID控制器的參數(shù)，使電機能夠快速響應負載變化，同時有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動。在工業(yè)風機的應用中，當風機的負載發(fā)生變化時，模糊自適應PID控制算法能夠迅速調(diào)整電機的電流，使電機輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，與傳統(tǒng)PID控制相比，轉(zhuǎn)矩脈動降低了[X]%，提高了風機的運行效率和穩(wěn)定性。還采用了基于模型預測控制的方法，結合電機的實時運行狀態(tài)和轉(zhuǎn)子位置信息，預測電機未來的轉(zhuǎn)矩變化，并提前調(diào)整控制策略，以達到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的目的。在工業(yè)泵的應用中，通過模型預測控制，電機的轉(zhuǎn)矩脈動降低了[X]%，提高了泵的流量穩(wěn)定性，減少了管道的振動和噪聲。通過采用這些針對性的轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，工業(yè)應用中的內(nèi)置式永磁同步電機在運行穩(wěn)定性、精度和可靠性等方面都得到了顯著提升。電機的振動和噪聲明顯減小，降低了設備的維護成本，延長了設備的使用壽命。轉(zhuǎn)矩脈動的抑制還提高了電機的能量利用效率，為工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能減排做出了貢獻。這些成效充分證明了針對性抑制方法在工業(yè)電機中的有效性和實用性。六、結論與展望6.1研究成果總結本研究圍繞內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制問題展開了深入探討，從轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生原因剖析入手，提出并研究了結構優(yōu)化方法和控制策略，通過案例分析驗證了相關方法和策略的有效性，取得了一系列具有理論和實踐價值的研究成果。在轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生原因方面，深入剖析了齒槽轉(zhuǎn)矩、諧波轉(zhuǎn)矩以及其他因素如電機結構不對稱、永磁材料特性及溫度變化對轉(zhuǎn)矩脈動的影響。明確了齒槽轉(zhuǎn)矩是由永磁體與定子齒槽相互作用產(chǎn)生，其諧波成分會導致電機轉(zhuǎn)速波動、振動和噪聲；諧波轉(zhuǎn)矩則是由反電動勢紋波和定子電流諧波相互作用產(chǎn)生，在不同轉(zhuǎn)速下對電機性能產(chǎn)生不同程度的干擾；電機結構不對稱會破壞磁場平衡，永磁材料特性及溫度變化會影響磁場穩(wěn)定性，進而導致轉(zhuǎn)矩脈動。這些分析為后續(xù)研究抑制轉(zhuǎn)矩脈動的方法提供了堅實的理論基礎。針對轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的原因，提出了一系列有效的結構優(yōu)