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

開關磁阻電機結構簡單可靠、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、分布式發電系統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，國內科研機構對這一問題作了大量研究，針對轉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構優化的減振降噪取得了顯著的效果。

1 SR電機振動和噪聲產生的原因

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構，定子軛部較薄，高速運轉時定子繞組中通入的是脈沖電流，產生脈沖轉矩，依靠磁拉力吸引轉子轉動，在產生切向磁拉力的同時會產生徑向磁拉力。切向磁拉力產生的電磁轉矩存在一定的波動，從而導致振動和噪聲的產生。而徑向磁拉力隨轉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，進而產生噪聲。另外，大量研究表明SR定轉子間的徑向磁拉力所導致的定子橢圓形變是產生振動和噪聲的主要原因,并且遠遠高于轉矩脈動產生的振動和噪聲。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構優化設計

2.1 定轉子極數的選擇

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

以下是分析上述兩種極數結構SR電機對噪聲和振動的影響來探討如何選擇極數更加有利于減振和降噪。如前所述,低次數的徑向力波是導致電機電磁噪聲的最主要根源。而低次數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n的4次方成反比,而與力波的幅值成正比。因而,對于相數一定的SR電機,定轉子極數越多，噪聲振動越小。但是，由于電感的存在,極數過多反而會影響電機告訴運轉時候的出力。

2.2 定子尺寸優化

一般來說，影響SR電機的轉矩脈動和噪聲的主要參數有定子外徑、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 轉子尺寸優化

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

另外，定子和轉子重疊時會產生徑向的磁拉力，所以，轉子尺寸和結構的優化首要目標就是在不影響輸出轉矩的情況下盡量的減少這種重疊區域面積。例如，一種方法是采用轉子斜極，即將轉子極做成楔形，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矩和轉子的機械強度問題。需要慎重選擇。

再者，有一種方案是在開關磁阻電機的轉子之間填充絕緣的非導磁膠體，這種方法能減少轉子磁漏，使得轉子受到的空氣阻力減小，且能有效的減少轉矩脈動。這種方法經濟實用，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 結束語

SR開關磁阻電機振動和噪聲產生的機理十分復雜，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構優化設計的降噪方案。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。

[1]吳建華,陳永校.開關磁阻電動機的噪聲及其抑制方法[J].中小型電機,1997,24(03):20-23.

[2]張慧英，汪旭東，高彩霞.減小開關磁阻電機轉矩脈動、噪聲和振動方法研究綜述[J].微電機，2009,42(08):65-68.

[3]Picod C.,Besbes M.,Camus F.,Gabsi M.Influence of stator geometry upon vibratory behaviour and electromagnetic performances of switched reluctance motors[C]. Electrical Machines and Drives, 1997 Eighth International Conference on.1997,69-73.