SR開關磁阻電機振動和噪聲抑制

梅金星，楊中華，胡 江

（1.三峽大學 電氣與新能源學院,湖北 宜昌 443002；2.國網(wǎng)湖北省電力公司隨州供電公司,湖北 隨州 441300）

0 引言

開關磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單可靠、容錯能力強、控制靈活、啟停方便，因而在航天航空、汽車船舶制造、精密加工、分布式發(fā)電系統(tǒng)等等多個場合有著廣闊的應用前景。然而，SRM電機的較大的振動和噪聲等缺點也成了阻礙其進一步發(fā)展的問題。因此，SRM電機振動和噪聲抑制成了一個新型特種電機領域一個重要的課題。圍繞這一課題，國內(nèi)科研機構(gòu)對這一問題作了大量研究，針對轉(zhuǎn)矩脈動和徑向電磁力引起的振動提出了各種減振降噪方案。尤其是基于電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的減振降噪取得了顯著的效果。

1 SR電機振動和噪聲產(chǎn)生的原因

初期的開關磁阻電機研究很少考慮振動和噪聲這一因素。但是，近年來，隨著開關磁阻電機的廣泛應用，對電機的性能提出了更高的要求。

在電氣工程領域，振動和噪聲十分普遍。噪聲來源于電磁噪聲和機械噪聲。而對于開關磁阻電機而言，電磁噪聲更加凸出。學者們的大量研究表明，電磁振動導致的電磁噪聲是SR電機噪聲的主要來源，而作用于SR電機定子上的脈動徑向力及SR電機顯著的轉(zhuǎn)矩脈動是導致電磁振動的主要因素。

開關磁阻電機為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子軛部較薄，高速運轉(zhuǎn)時定子繞組中通入的是脈沖電流，產(chǎn)生脈沖轉(zhuǎn)矩，依靠磁拉力吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，在產(chǎn)生切向磁拉力的同時會產(chǎn)生徑向磁拉力。切向磁拉力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩存在一定的波動，從而導致振動和噪聲的產(chǎn)生。而徑向磁拉力隨轉(zhuǎn)子位置的變化和電流的變化而波動，導致定子鐵心變形和振動，進而產(chǎn)生噪聲。另外，大量研究表明SR定轉(zhuǎn)子間的徑向磁拉力所導致的定子橢圓形變是產(chǎn)生振動和噪聲的主要原因,并且遠遠高于轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的振動和噪聲。因此，開關磁阻電機的減振和降噪研究的主要問題是降低徑向拉力的影響。

2 基于振動噪聲抑制的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

2.1 定轉(zhuǎn)子極數(shù)的選擇

對于開關磁阻電機定轉(zhuǎn)子極數(shù)的選擇，學者們作了大量研究。一般來說，定子極數(shù)N,必須要是相數(shù)q的2倍或者2的整數(shù)倍。也就是Ns=2mq,而轉(zhuǎn)子的極數(shù)Nr＝2m(q-1)。以三相電機為例，最常用的便是Ns/Nr＝6/4/或12/8極結(jié)構(gòu)。

以下是分析上述兩種極數(shù)結(jié)構(gòu)SR電機對噪聲和振動的影響來探討如何選擇極數(shù)更加有利于減振和降噪。如前所述,低次數(shù)的徑向力波是導致電機電磁噪聲的最主要根源。而低次數(shù)徑向力波主要作用在定子鐵心以及機座上,使定子鐵心隨時間變化而發(fā)生周期性的形變,導致周圍空氣的脈動進而引起氣載噪聲,徑向力波的階次數(shù)越低,鐵心的彎曲形變的相鄰兩支點間的距離越遠,鐵心的剛度相對比較差,徑向形變就越大。定子鐵心的形變量大致與力的波次數(shù)n的4次方成反比,而與力波的幅值成正比。因而,對于相數(shù)一定的SR電機,定轉(zhuǎn)子極數(shù)越多，噪聲振動越小。但是，由于電感的存在,極數(shù)過多反而會影響電機告訴運轉(zhuǎn)時候的出力。

2.2 定子尺寸優(yōu)化

一般來說，影響SR電機的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲的主要參數(shù)有定子外徑、軛厚、定子齒極和定子極弧。定子外徑一般選擇較大的基座號，當然，也要增大外徑的同時往往也會增加成本和適用空間，具體以實際應用需求為主。

相對于定子極弧等參數(shù)來說，定子軛厚對電磁噪聲的影響更加明顯。也就是說，定子軛的厚度比其他參數(shù)對噪聲的影響更大。試驗表明：定子電磁振動振幅與軛厚的三次方成反比，與定子外徑成反比。因此，增加定子軛厚能達到顯著的降噪效果。在設計時，在成本可控的前提下，增加定子軛厚，采用長軸大外徑的SR電機能防止電磁力頻率和定子固有頻率共振，最大程度的抑制電磁噪聲。

2.3 轉(zhuǎn)子尺寸優(yōu)化

轉(zhuǎn)子外徑對轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲的影響與定子恰恰相反，增加轉(zhuǎn)子外徑會增加轉(zhuǎn)矩脈動和電磁振動。因此，轉(zhuǎn)子外徑的選擇一定要適當。

另外，定子和轉(zhuǎn)子重疊時會產(chǎn)生徑向的磁拉力，所以，轉(zhuǎn)子尺寸和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化首要目標就是在不影響輸出轉(zhuǎn)矩的情況下盡量的減少這種重疊區(qū)域面積。例如，一種方法是采用轉(zhuǎn)子斜極，即將轉(zhuǎn)子極做成楔形，從而減少與定子極之間的重疊面積，達到降噪目的。然而，這一方案不得不考慮電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的機械強度問題。需要慎重選擇。

再者，有一種方案是在開關磁阻電機的轉(zhuǎn)子之間填充絕緣的非導磁膠體，這種方法能減少轉(zhuǎn)子磁漏，使得轉(zhuǎn)子受到的空氣阻力減小，且能有效的減少轉(zhuǎn)矩脈動。這種方法經(jīng)濟實用，有一定的應用價值。但是，這一方案對所需填充的絕緣非導磁材料的要求較高，包括其絕緣能力、抗高溫抗氧化能力等。

3 結(jié)束語

SR開關磁阻電機振動和噪聲產(chǎn)生的機理十分復雜，影響電磁噪聲的因素也很多，這里我們只介紹了基于電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的降噪方案。事實上，還可以從控制策略方面入手改善SR電機的性能，達到降噪目的。新型復合材料的廣泛應用也為SR電機降低噪聲提高性能提供了支撐。這一課題有待深入研究。

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