開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法綜述

張懿　姜文濤　蔡燕　李寶生　劉國(guó)軍

摘 要：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固的特點(diǎn)，其轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組和永磁體，電機(jī)故障率低，系統(tǒng)容錯(cuò)能力強(qiáng)，適合轉(zhuǎn)矩大的場(chǎng)合使用。但是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同樣也存在著一些缺點(diǎn)與不足：例如雙凸極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致SRM電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化難度大；運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，由脈動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)噪聲問(wèn)題也限制著SRM在電動(dòng)汽車(chē)、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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為了當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；抑制

1 概述

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器、檢測(cè)器電路四部分組成。其中開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）具有雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組和永磁體，所以SRM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)。

2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)特點(diǎn)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好，適合在頻繁正反轉(zhuǎn)起動(dòng)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(jī)械特性可以滿(mǎn)足不同負(fù)載的要求。而且SRM各相獨(dú)立。一般電機(jī)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(chǎng)，電機(jī)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(cuò)能力強(qiáng)。但是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同樣也存在著一些缺點(diǎn)與不足：例如雙凸極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致SRM電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化難度大；運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，由脈動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)噪聲問(wèn)題也限制著SRM在電動(dòng)汽車(chē)、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(guó)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)領(lǐng)域取得了一些驕人的成績(jī)，但是由于SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種新型調(diào)速系統(tǒng)，研究?jī)?nèi)容涉及電力電子、控制理論、電機(jī)傳動(dòng)等眾多學(xué)科，不僅內(nèi)容多而且難度大，我國(guó)在SR電機(jī)理論與設(shè)計(jì)、電磁場(chǎng)數(shù)值分析、脈動(dòng)與噪聲產(chǎn)生機(jī)理、脈動(dòng)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩研究現(xiàn)狀

從電機(jī)結(jié)構(gòu)上分析，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由于定、轉(zhuǎn)子凸極重合之前，氣隙長(zhǎng)度突變導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)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(shí)，轉(zhuǎn)矩值明顯減少，致使合成輸出轉(zhuǎn)矩波形出現(xiàn)嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。如果要想提高換相點(diǎn)處的轉(zhuǎn)矩值，主要方法是減少突變，使其變化存在過(guò)渡區(qū)域或趨于緩慢。到目前為止，對(duì)SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題的研究主要集中在兩個(gè)方面，一方面是圍繞著對(duì)電機(jī)本體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另一方面圍繞著開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的控制策略的研究。

3.1 電機(jī)控制方法抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)研究

電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制都會(huì)影響轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的大小。電機(jī)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(zhǎng)度等。電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子外徑的增加而增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)。增加鐵芯長(zhǎng)度有利于提高輸出轉(zhuǎn)矩值，但是會(huì)導(dǎo)致脈動(dòng)系數(shù)增大。電機(jī)控制策略也對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生重要影響，包括不同開(kāi)關(guān)角，不同負(fù)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(lái)降低SRM的振動(dòng)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(duì)常用單幅值斬波控制存在的劣勢(shì)，王旭東等提出電流雙幅值斬波控制方案，相對(duì)于單幅值斬波顯著降低了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但是由于提高了初始斬波的幅值，增加了開(kāi)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的非線性自適應(yīng)反饋控制，一定程度減少了電機(jī)建模的誤差，采用參數(shù)在線估計(jì)，具有高性能的位置控制方案，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減少，且方法容易實(shí)現(xiàn)。但是它的簡(jiǎn)化磁鏈、電感和電流的關(guān)系，未考慮開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的磁飽和效應(yīng)，存在一定誤差。陳亮等考慮了磁場(chǎng)飽和的電機(jī)模型，設(shè)計(jì)了基于滑?？刂频拈_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制器，通過(guò)改變滑模參數(shù)等效的對(duì)相電壓進(jìn)行了控制，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的最小化，但是存在的缺點(diǎn)是需要對(duì)加速度的測(cè)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(diǎn)使其在運(yùn)行中負(fù)載及環(huán)境發(fā)生變化都會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，導(dǎo)致控制參數(shù)容易發(fā)生偏差?？刂撇呗詮?fù)雜，實(shí)時(shí)性差，算法需要高性能的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這使得SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的脈動(dòng)實(shí)時(shí)控制十分困難。

3.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)研究

在電機(jī)設(shè)計(jì)方面很多專(zhuān)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(kāi)槽，但是這種方法只能在轉(zhuǎn)子朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)噪聲。N. K. Sheth 和 K. R. Rajagopal 使用有限元分析方法通過(guò)仿真得出平均輸出轉(zhuǎn)矩最大且脈動(dòng)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(lái)達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(shí)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(guò)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(jī)械強(qiáng)度，影響轉(zhuǎn)子在高速時(shí)的穩(wěn)定性。另有研究表明，SRM定子軛部的厚度與電機(jī)的振動(dòng)存在一定關(guān)系，定子軛部厚度的立方反比于定子振動(dòng)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(jī)其他方法抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)研究

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

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