張懿　姜文濤　蔡燕　李寶生　劉國軍

摘 要：開關(guān)磁阻電機具有結(jié)構(gòu)簡單堅固的特點，其轉(zhuǎn)子上沒有繞組和永磁體，電機故障率低，系統(tǒng)容錯能力強，適合轉(zhuǎn)矩大的場合使用。但是開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)同樣也存在著一些缺點與不足：例如雙凸極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致SRM電機設(shè)計優(yōu)化難度大；運行時轉(zhuǎn)矩脈動大，由脈動導(dǎo)致的振動噪聲問題也限制著SRM在電動汽車、家用電器以及要求低速平穩(wěn)的伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，所以抑制開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動成為了當前的熱點問題。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機；轉(zhuǎn)矩脈動；抑制

1 概述

開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電機、功率變換器、控制器、檢測器電路四部分組成。其中開關(guān)磁阻電機（SRM）具有雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子上沒有繞組和永磁體，所以SRM具有結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用的優(yōu)點。

2 開關(guān)磁阻電機特點

開關(guān)磁阻電機起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好，適合在頻繁正反轉(zhuǎn)起動的情況下用，其調(diào)速范圍寬，在其調(diào)速范圍內(nèi)效率和出力保持較高水平，機械特性可以滿足不同負載的要求。而且SRM各相獨立。一般電機必須在各相繞組和磁鏈共同作用下，形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，電機才能正常工作。SRM可以在缺相的條件下繼續(xù)工作，系統(tǒng)容錯能力強。但是開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)同樣也存在著一些缺點與不足：例如雙凸極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致SRM電機設(shè)計優(yōu)化難度大；運行時轉(zhuǎn)矩脈動大，由脈動導(dǎo)致的振動噪聲問題也限制著SRM在電動汽車、家用電器以及要求低速平穩(wěn)的伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。雖然我國開關(guān)磁阻電機領(lǐng)域取得了一些驕人的成績，但是由于SRM驅(qū)動系統(tǒng)作為一種新型調(diào)速系統(tǒng)，研究內(nèi)容涉及電力電子、控制理論、電機傳動等眾多學(xué)科，不僅內(nèi)容多而且難度大，我國在SR電機理論與設(shè)計、電磁場數(shù)值分析、脈動與噪聲產(chǎn)生機理、脈動噪聲抑制方法等方面的研究還存在很多不足，理論體系還很不完善。

3 開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩研究現(xiàn)狀

從電機結(jié)構(gòu)上分析，轉(zhuǎn)矩脈動是由于定、轉(zhuǎn)子凸極重合之前，氣隙長度突變導(dǎo)致氣隙磁場能量突變，從而使SRM的矩角特性在重合位置處出現(xiàn)突變引起轉(zhuǎn)矩值降低，然后在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到換相位置時，轉(zhuǎn)矩值明顯減少，致使合成輸出轉(zhuǎn)矩波形出現(xiàn)嚴重的轉(zhuǎn)矩波動。如果要想提高換相點處的轉(zhuǎn)矩值，主要方法是減少突變，使其變化存在過渡區(qū)域或趨于緩慢。到目前為止，對SRM轉(zhuǎn)矩脈動問題的研究主要集中在兩個方面，一方面是圍繞著對電機本體進行優(yōu)化設(shè)計。另一方面圍繞著開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動抑制的控制策略的研究。

3.1 電機控制方法抑制轉(zhuǎn)矩脈動研究

電機結(jié)構(gòu)和控制都會影響轉(zhuǎn)矩波動的大小。電機結(jié)構(gòu)方面的影響包括定，轉(zhuǎn)子齒形，定轉(zhuǎn)子極弧，轉(zhuǎn)子外徑，定子外徑，鐵芯長度等。電機轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子外徑的增加而增大，轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)和轉(zhuǎn)子外徑成正比例關(guān)系。定子外徑的增大有利于提高輸出轉(zhuǎn)矩，降低電流峰值，可以一定程度地減少轉(zhuǎn)矩脈動。增加鐵芯長度有利于提高輸出轉(zhuǎn)矩值，但是會導(dǎo)致脈動系數(shù)增大。電機控制策略也對轉(zhuǎn)矩波動產(chǎn)生重要影響，包括不同開關(guān)角，不同負載下斬波頻率以及續(xù)流方式等。很多學(xué)者采用不同的控制策略來降低SRM的振動與噪聲， 主要的策略有直接轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)矩分配、智能控制等。

針對常用單幅值斬波控制存在的劣勢，王旭東等提出電流雙幅值斬波控制方案，相對于單幅值斬波顯著降低了轉(zhuǎn)矩波動，但是由于提高了初始斬波的幅值，增加了開關(guān)管的容量要求，適用于低速。Russa K等提出應(yīng)用于三相開關(guān)磁阻電機的非線性自適應(yīng)反饋控制，一定程度減少了電機建模的誤差，采用參數(shù)在線估計，具有高性能的位置控制方案，使轉(zhuǎn)矩脈動減少，且方法容易實現(xiàn)。但是它的簡化磁鏈、電感和電流的關(guān)系，未考慮開關(guān)磁阻電機的磁飽和效應(yīng)，存在一定誤差。陳亮等考慮了磁場飽和的電機模型，設(shè)計了基于滑?？刂频拈_關(guān)磁阻電機控制器，通過改變滑模參數(shù)等效的對相電壓進行了控制，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動的最小化，但是存在的缺點是需要對加速度的測量，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，成本較高。但是SRM本身高飽和、非線性的特點使其在運行中負載及環(huán)境發(fā)生變化都會影響電機運行參數(shù)，導(dǎo)致控制參數(shù)容易發(fā)生偏差。控制策略復(fù)雜，實時性差，算法需要高性能的硬件來實現(xiàn)。這使得SRM驅(qū)動系統(tǒng)的脈動實時控制十分困難。

3.2 電機結(jié)構(gòu)抑制轉(zhuǎn)矩脈動研究

在電機設(shè)計方面很多專家提出了許多新型的定、轉(zhuǎn)子形狀。Guangjin 和Li Javier Ojeda提出轉(zhuǎn)子一側(cè)開槽，但是這種方法只能在轉(zhuǎn)子朝一個方向轉(zhuǎn)動時減少轉(zhuǎn)矩脈動和振動噪聲。N. K. Sheth 和 K. R. Rajagopal 使用有限元分析方法通過仿真得出平均輸出轉(zhuǎn)矩最大且脈動最小的定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)組合，不同相數(shù)的SRM采用不同的定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)的組合來達到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的目的。Yusuf Ozoglua和Muhammet Garipb提出了新型的定、轉(zhuǎn)子齒形，定、轉(zhuǎn)子齒在齒頂處分別伸出朝向不同方向的極靴，這種結(jié)構(gòu)除了提高了平均轉(zhuǎn)矩同時還降低了低頻諧波與高頻諧波。Kazuali和 Nakata提出了在SRM轉(zhuǎn)子上打孔的方法，通過減少定轉(zhuǎn)子極間的重疊面積，有效減少噪聲，但是此舉降低了轉(zhuǎn)子機械強度，影響轉(zhuǎn)子在高速時的穩(wěn)定性。另有研究表明，SRM定子軛部的厚度與電機的振動存在一定關(guān)系，定子軛部厚度的立方反比于定子振動的幅值。則采用增加定子軛厚度可以起到減少噪聲的目的。

3.3 電機其他方法抑制轉(zhuǎn)矩脈動研究

除此之外，借助新材料、新工藝手段改善開關(guān)磁阻電機性能也是一種途徑。采用新的定、轉(zhuǎn)子材料可以改善電機的電磁特性和物理特性，減少振動和噪聲。Peter等采用了非導(dǎo)磁的陶瓷墊片置于開關(guān)磁阻電機定子極端部之間，采用合適長度的厚度，不但減少了轉(zhuǎn)矩的脈動，還提高了電機的穩(wěn)定性。由于墊片需要固定在SRM定子上，所以需要對定子進行加工，才能安裝牢固，增加了機械加工的難度，不能普遍推廣。電機的安裝形式對電機振動和噪聲產(chǎn)生的影響也不容忽視。近年來關(guān)于如何降低轉(zhuǎn)矩脈動成為SRM驅(qū)動系統(tǒng)領(lǐng)域的熱點問題。

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