開關(guān)磁阻電機磁鏈特性檢測方法綜述＊

王松勝，張海華，劉思偉

（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387）

開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor，SRM）是一種結(jié)構(gòu)簡單、可控參數(shù)多、調(diào)速性能好、運行可靠的新型機電一體化調(diào)速電機，適合用在電動汽車、輪船和飛機驅(qū)動裝置上。SRM具有雙凸極結(jié)構(gòu)且采用脈沖供電方式，使得其磁場具有嚴(yán)重的非線性，難以用解析式準(zhǔn)確表達(dá)。SRM的電磁特性描述直接影響到電機的分析、設(shè)計與應(yīng)用，獲取SRM準(zhǔn)確的磁鏈特性和轉(zhuǎn)矩特性，是實現(xiàn)SRM準(zhǔn)確建模及高性能控制的重要依據(jù)。因此，磁鏈特性檢測就成了至關(guān)重要的一步。

1 基本原理

開關(guān)磁阻電機為雙凸極結(jié)構(gòu)電機，其定轉(zhuǎn)子采用普通硅鋼片疊壓而成，定子極采用集中繞組，轉(zhuǎn)子極無繞組和永久磁體，因此電機本體結(jié)構(gòu)和控制電路簡單，大大降低了制造成本[1]。為了保證磁路與力學(xué)的對稱性，其定轉(zhuǎn)子必須為偶數(shù)個。

應(yīng)用較多的有以下幾種：12/8極、10/8極、8/6極、6/4極等。以12/8極的開關(guān)磁阻電機為例，圖1為開關(guān)磁阻電機本體的橫切面示意圖。

SRM轉(zhuǎn)矩是由磁路根據(jù)“最小磁通原理”選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，以圖1中定轉(zhuǎn)子的相對位置為起始位置，若按照B→A→C相的順序依次通電，轉(zhuǎn)子會逆著勵磁順序沿逆時針旋轉(zhuǎn)；與此相反，若按照C→B→A相的順序依次通電，轉(zhuǎn)子則順時針旋轉(zhuǎn)。一般來講，電機的轉(zhuǎn)子極對數(shù)同繞組數(shù)和電機運行特性、電機本體和控制器設(shè)計成本之間是矛盾的，通過增加相數(shù)和極數(shù)可以有效提高功率密度，減小轉(zhuǎn)矩脈動，提高運行平穩(wěn)度并且降低噪聲，但是與此同時也增加了設(shè)計和制造成本。除此之外，電機相數(shù)的增加對控制電路及控制程序的要求更高，使其更加復(fù)雜。同時，由于三相以下的SRM無自啟動能力，所以綜合各方面因素考慮，應(yīng)用較多的是三相或四相結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機。

2 磁鏈特性檢測方法

開關(guān)磁阻電機的磁鏈特性檢測是電機特性研究中的重要一環(huán)，獲取準(zhǔn)確的SRM磁鏈特性與轉(zhuǎn)矩特性，可以對電機本體進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化、實現(xiàn)SRM無位置傳感器控制，同時還可以用于改善控制系統(tǒng)性能，因此國內(nèi)外很多學(xué)者都對其投入了大量的精力進(jìn)行研究。在線磁鏈檢測法以Lyons提出的磁鏈/電流法為基礎(chǔ)，通過在線測量，進(jìn)而獲得無位置控制的磁鏈/電流法所需的磁鏈曲線，從而實現(xiàn)了電機無位置傳感器的控制。通常，獲取磁鏈特性和轉(zhuǎn)矩特性的方法有2種，即利用有限元分析方法計算電磁特性和通過實驗對電磁特性進(jìn)行測量。前者主要分為二維有限元分析法和三維有限元分析法，其中，二維有限元分析法會在定轉(zhuǎn)子凸極不對稱位置產(chǎn)生相對誤差大、精度低的測量結(jié)果；三維有限元法相比于二維有限元法精度更高，但計算更耗時、煩瑣。由于有限元分析法具有局限性，實驗測量法成為磁鏈特性檢測的主要方法。磁鏈特性實驗檢測包括直接測量和間接測量2種。很少用此方法。間接磁鏈測量法是將測量到的相繞組電壓和電流代入特定的公式計算得到磁鏈特性[2]。該方法操作相對簡單，數(shù)據(jù)精度高，因而受到各個研究機構(gòu)的重視。由于SRM一相繞組的線圈之間為正向串聯(lián)，其互感很小，因此可以將其忽略，并且假設(shè)電機各項繞組參數(shù)對稱，各相繞組之間電磁特性沒有差異，所以只需要檢測其中一相的磁鏈特性。磁鏈計算方法有模擬法和數(shù)值法2種，模擬法是通過模擬電路對相電壓和相電流進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化，而后通過硬件積分器得到磁鏈值，但運算精度容易受運算放大器特性、硬件積分器精度以及電磁場等因素的影響，測量誤差大。后者通過測量相電壓和相電流得到離散的數(shù)據(jù)，利用計算機軟件通過數(shù)學(xué)公式計算各個電流值對應(yīng)的磁鏈值，并對其進(jìn)行擬合。該方法相較于前者測量精度更高，誤差更小，并且可以將測量到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行長期保存，為后期的數(shù)據(jù)分析提供幫助。

國內(nèi)外學(xué)者對磁鏈特性做了大量的實驗測量和研究，Virendra Kumar Sharma對幾種測量方法進(jìn)行了比較并總結(jié)了其優(yōu)缺點，其中包括高頻疊加法、數(shù)值積分估計繞組磁鏈法和磁鏈直接與間接檢測法等。有的文獻(xiàn)將Labview和DSP單片機結(jié)合起來設(shè)計和開發(fā)了電機磁鏈特性測量分析系統(tǒng)，通過DSP對電機的相電壓和相電流進(jìn)行采集，然后采用VB程序通過MSComm控件與DSP通訊，將數(shù)據(jù)傳送給上位機，最后在Labview上編輯界面顯示并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。除此之外，也有文獻(xiàn)提出了一種基于輔助測量繞組和模擬積分器的SRM磁鏈測量方法，可以將繞組磁鏈信息實時、準(zhǔn)確地檢測出來，但缺點是需要在其中一個定子磁極上面繞一個與電機繞組耦合的用于輔助檢測的繞組，并且可以通過調(diào)整其匝數(shù)來對信號幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，明顯會對電機進(jìn)行多次拆解，不僅加重了人工負(fù)擔(dān)，還增加了電機的制造成本。隨著人工智能理論的不斷發(fā)展，越來越多的人工智能理論被應(yīng)用到開關(guān)磁阻電機磁鏈特性中，其中包括小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混沌變異粒子群、支持向量機、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法。

［1］ 吳建華.開關(guān)磁阻電機設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［2］ Song S，Zhang M，Ge L.A New Fast Method for Obtaining Flux-Linkage Characteristics of SRM［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（7）：4105-4117.