開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法綜述

張懿　姜文濤　蔡燕　李寶生　劉國軍

摘 要：開關磁阻電機具有結構簡單堅固的特點，其轉子上沒有繞組和永磁體，電機故障率低，系統容錯能力強，適合轉矩大的場合使用。但是開關磁阻電機調速系統同樣也存在著一些缺點與不足：例如雙凸極結構導致SRM電機設計優化難度大；運行時轉矩脈動大，由脈動導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的伺服系統中的應用，所以抑制開關磁阻電機轉矩脈動成為了當前的熱點問題。

關鍵詞：開關磁阻電機；轉矩脈動；抑制

1 概述

開關磁阻電機調速系統主要由開關磁阻電機、功率變換器、控制器、檢測器電路四部分組成。其中開關磁阻電機（SRM）具有雙凸極結構，定子上繞有集中繞組，轉子上沒有繞組和永磁體，所以SRM具有結構簡單，堅固耐用的優點。

2 開關磁阻電機特點

開關磁阻電機起動轉矩大，調速性能好，適合在頻繁正反轉起動的情況下用，其調速范圍寬，在其調速范圍內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，形成圓形的旋轉磁場，電機才能正常工作。SRM可以在缺相的條件下繼續工作，系統容錯能力強。但是開關磁阻電機調速系統同樣也存在著一些缺點與不足：例如雙凸極結構導致SRM電機設計優化難度大；運行時轉矩脈動大，由脈動導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的伺服系統中的應用。雖然我國開關磁阻電機領域取得了一些驕人的成績，但是由于SRM驅動系統作為一種新型調速系統，研究內容涉及電力電子、控制理論、電機傳動等眾多學科，不僅內容多而且難度大，我國在SR電機理論與設計、電磁場數值分析、脈動與噪聲產生機理、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 開關磁阻電機轉矩研究現狀

從電機結構上分析，轉矩脈動是由于定、轉子凸極重合之前，氣隙長度突變導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突變引起轉矩值降低，然后在轉子轉到換相位置時，轉矩值明顯減少，致使合成輸出轉矩波形出現嚴重的轉矩波動。如果要想提高換相點處的轉矩值，主要方法是減少突變，使其變化存在過渡區域或趨于緩慢。到目前為止，對SRM轉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化設計。另一方面圍繞著開關磁阻電機調速系統轉矩脈動抑制的控制策略的研究。

3.1 電機控制方法抑制轉矩脈動研究

電機結構和控制都會影響轉矩波動的大小。電機結構方面的影響包括定，轉子齒形，定轉子極弧，轉子外徑，定子外徑，鐵芯長度等。電機轉矩隨轉子外徑的增加而增大，轉矩脈動系數和轉子外徑成正比例關系。定子外徑的增大有利于提高輸出轉矩，降低電流峰值，可以一定程度地減少轉矩脈動。增加鐵芯長度有利于提高輸出轉矩值，但是會導致脈動系數增大。電機控制策略也對轉矩波動產生重要影響，包括不同開關角，不同負載下斬波頻率以及續流方式等。很多學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矩控制、轉矩分配、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矩波動，但是由于提高了初始斬波的幅值，增加了開關管的容量要求，適用于低速。Russa K等提出應用于三相開關磁阻電機的非線性自適應反饋控制，一定程度減少了電機建模的誤差，采用參數在線估計，具有高性能的位置控制方案，使轉矩脈動減少，且方法容易實現。但是它的簡化磁鏈、電感和電流的關系，未考慮開關磁阻電機的磁飽和效應，存在一定誤差。陳亮等考慮了磁場飽和的電機模型，設計了基于滑模控制的開關磁阻電機控制器，通過改變滑模參數等效的對相電壓進行了控制，從而實現轉矩脈動的最小化，但是存在的缺點是需要對加速度的測量，增加了系統的復雜程度，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境發生變化都會影響電機運行參數，導致控制參數容易發生偏差。控制策略復雜，實時性差，算法需要高性能的硬件來實現。這使得SRM驅動系統的脈動實時控制十分困難。

3.2 電機結構抑制轉矩脈動研究

在電機設計方面很多專家提出了許多新型的定、轉子形狀。Guangjin 和Li Javier Ojeda提出轉子一側開槽，但是這種方法只能在轉子朝一個方向轉動時減少轉矩脈動和振動噪聲。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矩最大且脈動最小的定、轉子極弧系數組合，不同相數的SRM采用不同的定、轉子極弧系數的組合來達到抑制轉矩脈動的目的。Yusuf Ozoglua和Muhammet Garipb提出了新型的定、轉子齒形，定、轉子齒在齒頂處分別伸出朝向不同方向的極靴，這種結構除了提高了平均轉矩同時還降低了低頻諧波與高頻諧波。Kazuali和 Nakata提出了在SRM轉子上打孔的方法，通過減少定轉子極間的重疊面積，有效減少噪聲，但是此舉降低了轉子機械強度，影響轉子在高速時的穩定性。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矩脈動研究

除此之外，借助新材料、新工藝手段改善開關磁阻電機性能也是一種途徑。采用新的定、轉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等采用了非導磁的陶瓷墊片置于開關磁阻電機定子極端部之間，采用合適長度的厚度，不但減少了轉矩的脈動，還提高了電機的穩定性。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生的影響也不容忽視。近年來關于如何降低轉矩脈動成為SRM驅動系統領域的熱點問題。

參考文獻

[1]周素瑩，林輝.減小開關磁阻電機轉矩脈動的控制策略綜述[J].電氣傳動，2008，3：11-17.

[2]孫劍波，詹瓊華，王雙紅，等.開關磁阻電機減振降噪和低轉矩脈動控制策略[J].中國電機工程學報，2008，12：134-138.

[3]史鐘林，黃運生，陳學.基于轉矩分配策略的開關磁阻電機控制系統研究[J].煤礦機械，2010，31（10）：59-61.

[4]Filiconf， Biancocgl， Toniellia.Modeling and control strategies for a variable reluctance direct drive motor[J].IEEE Transactions on Industry Electronics 1993，40（1）：105-115.