开关磁阻电机转矩脉动抑制方法综述

张懿　姜文涛　蔡燕　李宝生　刘国军

摘 要：开关磁阻电机具有结构简单坚固的特点，其转子上没有绕组和永磁体，电机故障率低，系统容错能力强，适合转矩大的场合使用。但是开关磁阻电机调速系统同样也存在着一些缺点与不足：例如双凸极结构导致SRM电机设计优化难度大；运行时转矩脉动大，由脉动导致的振动噪声问题也限制着SRM在电动汽车、家用电器以及要求低速平稳的伺服系统中的应用，所以抑制开关磁阻电机转矩脉动成为了当前的热点问题。

关键詞：开关磁阻电机；转矩脉动；抑制

1 概述

开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、检测器电路四部分组成。其中开关磁阻电机（SRM）具有双凸极结构，定子上绕有集中绕组，转子上没有绕组和永磁体，所以SRM具有结构简单，坚固耐用的优点。

2 开关磁阻电机特点

开关磁阻电机起动转矩大，调速性能好，适合在频繁正反转起动的情况下用，其调速范围宽，在其调速范围内效率和出力保持较高水平，机械特性可以满足不同负载的要求。而且SRM各相独立。一般电机必须在各相绕组和磁链共同作用下，形成圆形的旋转磁场，电机才能正常工作。SRM可以在缺相的条件下继续工作，系统容错能力强。但是开关磁阻电机调速系统同样也存在着一些缺点与不足：例如双凸极结构导致SRM电机设计优化难度大；运行时转矩脉动大，由脉动导致的振动噪声问题也限制着SRM在电动汽车、家用电器以及要求低速平稳的伺服系统中的应用。虽然我国开关磁阻电机领域取得了一些骄人的成绩，但是由于SRM驱动系统作为一种新型调速系统，研究内容涉及电力电子、控制理论、电机传动等众多学科，不仅内容多而且难度大，我国在SR电机理论与设计、电磁场数值分析、脉动与噪声产生机理、脉动噪声抑制方法等方面的研究还存在很多不足，理论体系还很不完善。

3 开关磁阻电机转矩研究现状

从电机结构上分析，转矩脉动是由于定、转子凸极重合之前，气隙长度突变导致气隙磁场能量突变，从而使SRM的矩角特性在重合位置处出现突变引起转矩值降低，然后在转子转到换相位置时，转矩值明显减少，致使合成输出转矩波形出现严重的转矩波动。如果要想提高换相点处的转矩值，主要方法是减少突变，使其变化存在过渡区域或趋于缓慢。到目前为止，对SRM转矩脉动问题的研究主要集中在两个方面，一方面是围绕着对电机本体进行优化设计。另一方面围绕着开关磁阻电机调速系统转矩脉动抑制的控制策略的研究。

3.1 电机控制方法抑制转矩脉动研究

电机结构和控制都会影响转矩波动的大小。电机结构方面的影响包括定，转子齿形，定转子极弧，转子外径，定子外径，铁芯长度等。电机转矩随转子外径的增加而增大，转矩脉动系数和转子外径成正比例关系。定子外径的增大有利于提高输出转矩，降低电流峰值，可以一定程度地减少转矩脉动。增加铁芯长度有利于提高输出转矩值，但是会导致脉动系数增大。电机控制策略也对转矩波动产生重要影响，包括不同开关角，不同负载下斩波频率以及续流方式等。很多学者采用不同的控制策略来降低SRM的振动与噪声， 主要的策略有直接转矩控制、转矩分配、智能控制等。

针对常用单幅值斩波控制存在的劣势，王旭东等提出电流双幅值斩波控制方案，相对于单幅值斩波显著降低了转矩波动，但是由于提高了初始斩波的幅值，增加了开关管的容量要求，适用于低速。Russa K等提出应用于三相开关磁阻电机的非线性自适应反馈控制，一定程度减少了电机建模的误差，采用参数在线估计，具有高性能的位置控制方案，使转矩脉动减少，且方法容易实现。但是它的简化磁链、电感和电流的关系，未考虑开关磁阻电机的磁饱和效应，存在一定误差。陈亮等考虑了磁场饱和的电机模型，设计了基于滑模控制的开关磁阻电机控制器，通过改变滑模参数等效的对相电压进行了控制，从而实现转矩脉动的最小化，但是存在的缺点是需要对加速度的测量，增加了系统的复杂程度，成本较高。但是SRM本身高饱和、非线性的特点使其在运行中负载及环境发生变化都会影响电机运行参数，导致控制参数容易发生偏差。控制策略复杂，实时性差，算法需要高性能的硬件来实现。这使得SRM驱动系统的脉动实时控制十分困难。

3.2 电机结构抑制转矩脉动研究

在电机设计方面很多专家提出了许多新型的定、转子形状。Guangjin 和Li Javier Ojeda提出转子一侧开槽，但是这种方法只能在转子朝一个方向转动时减少转矩脉动和振动噪声。N. K. Sheth 和 K. R. Rajagopal 使用有限元分析方法通过仿真得出平均输出转矩最大且脉动最小的定、转子极弧系数组合，不同相数的SRM采用不同的定、转子极弧系数的组合来达到抑制转矩脉动的目的。Yusuf Ozoglua和Muhammet Garipb提出了新型的定、转子齿形，定、转子齿在齿顶处分别伸出朝向不同方向的极靴，这种结构除了提高了平均转矩同时还降低了低频谐波与高频谐波。Kazuali和 Nakata提出了在SRM转子上打孔的方法，通过减少定转子极间的重叠面积，有效减少噪声，但是此举降低了转子机械强度，影响转子在高速时的稳定性。另有研究表明，SRM定子轭部的厚度与电机的振动存在一定关系，定子轭部厚度的立方反比于定子振动的幅值。则采用增加定子轭厚度可以起到减少噪声的目的。

3.3 电机其他方法抑制转矩脉动研究

除此之外，借助新材料、新工艺手段改善开关磁阻电机性能也是一种途径。采用新的定、转子材料可以改善电机的电磁特性和物理特性，减少振动和噪声。Peter等采用了非导磁的陶瓷垫片置于开关磁阻电机定子极端部之间，采用合适长度的厚度，不但减少了转矩的脉动，还提高了电机的稳定性。由于垫片需要固定在SRM定子上，所以需要对定子进行加工，才能安装牢固，增加了机械加工的难度，不能普遍推广。电机的安装形式对电机振动和噪声产生的影响也不容忽视。近年来关于如何降低转矩脉动成为SRM驱动系统领域的热点问题。

参考文献

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