开关磁阻电机发展前景及转矩脉动抑制方法综述

开关磁阻电机发展前景及转矩脉动抑制方法综述
摘要:开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM)结构简单、成本低、效率高、容错能力好和无需稀土材料等优点，SRM是交、直流调速系统的极大竞争者，未来前景广阔。

但SRM存在转矩脉动大，噪声和振动明显，控制器成本高等问题制约了SRM有更好的发展，针对SRM转矩脉动问题，分析SRM的基本结构和工
作原理，从电机本体设计和控制策略两个角度总结国内外转矩脉动抑制方法。

关键词：开关磁阻电机;转矩;脉动抑制
中图分类号：TM352
1 发展前景
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）原理与19世纪40年代“电磁制动机”
原理相似。

SRM调速系统（Switched Reluctance Drive，SRD）是变频、无刷直流电机调速系
统后新一代无级调速系统，是光、机、电一体化的高新技术[1]。

SRM为可变磁阻电机，定、转子的凸极均为硅钢片，易于获取和回收利用。

转子无绕组
与永磁体，仅定子极上绕有集中绕组，且绕组端部较短，无相间跨接线，使得其方便维护、
可靠性高。

SRM相较于带有永磁体的电机，制造工艺简单，成本低，避免了高温下磁性衰退
现象。

贸易战倒逼中国稀土管制，永磁材料价格上涨是必然。

可见，无需永磁体的SRM虽诞
生时间晚、发展时间短，但潜力还是相当大的。

SRD综合了感应和直流电机系统优点，在成本、效率、调速性能、可靠性等方面均突出，是强有力竞争者，SRM主要优点如下[1,2]：
1）SRM利用系数较大，可达感应电机利用率的1.2~1.4倍。

2）结构简单，制作工序少、成本低，工作可靠、维修量小。

因此，可工作于极高转速
环境下，SRM转速最高可达105r/min。

3）损耗多产生于定子，方便冷却；转子允许有较高温升。

能实现特殊要求的转矩-速度
特性，适用于恶劣、高温甚至强振动环境，且可以保持高效率。

4）转矩方向不受电流方向影响，可工作在频繁启停、正反向转换环境下。

5）启动电流小，转矩大；调速范围宽，控制灵活；可四象限运行，再生制动能力较强；容错能力强。

鉴于此，SRM成为交、直流、无刷直流电机调速系统的强有力竞争者。

目前，SRM已在
迅猛发展的调速电机领域争得了一席之地，在通用工业、电动汽车、家用电器等领域得到了
较广泛应用。

2 开关磁阻电机特点
2.1 SRM的结构和运行原理
SRM为双凸极结构，遵循“磁阻最小原理”，产生切向磁拉力，齿极间的吸引力带动SRM
转子旋转。

图1是三相12/8极SRM定转子结构图，三相SRM是相数最少的具备正反转自启
动能力的常规SRM。

图1 三相12/8极SRM的结构
SRM需在连续开关模式下工作，由开关控制U、V、W相线圈电流通断。

图2仅画出U
相开关闭合，线圈为通电线圈，当按照U→V→W→U相绕组通电，转子逆时针旋转。

SRM的
正反向旋转仅与励磁电流导通顺序有关。

图2 三相12/8极SRM工作原理
2.2 SRM的不足
SRM独特的双凸极结构，造就了SRM的突出优点，使得SRM已成为首选的驱动电机之一。

但SRM存在的问题也是不能忽视的，转矩脉动大，噪声和振动明显，控制器成本高，不对称半桥式电路使用常规桥式模块造成浪费，这些缺点制约了SRM有更好的发展。

在电动车领域，家用车使用SRM较少，但商用车使用频繁。

家用车对乘坐的舒适度较
为敏感，而SRM的噪音与振动会影响用户体验。

商用车对用户体验要求不如家用车，能经常见到SRM。

所以，研究SRM转矩脉动的抑制是必然趋势。

为减小SRM的噪声、振动和转矩脉动，国内外学者从SRM本体设计和控制策略两方面
开展研究。

前者主要从SRM定转子结构、尺寸、参数等方面优化以减小转矩脉动[3-5]。

从事SRD科研、开发与制造的学校、研究院、企业等常采用控制策略对SRM进行研究，其主要分
为间接控制[6-9]和直接控制[10-14]。

下面小节将对SRM本体结构设计和控制策略两方面进行
详述。

3 电机本体设计
3.1 模态分析
对SRM的本体进行各阶模态影响分析，包括机座、定转子外形、端盖等，分析它们各
阶模态下的自然频率，以及研究其电磁激振频率，进而使其远离电机固有频率。

采用三维有
限元法模态分析，在不同绕组安装工艺和散热筋结构时，比较、分析SRM定子振动系统的固有频率变化,降低SRM噪声水平[3,4]。

3.2 改变定转子外形
改变SRM定转子外形，包括极弧、齿形、轭厚，或者令关键位置开槽、斜槽、打孔等
以达到SRM降噪的目的。

研制新型带极靴的转子齿形（T形）[5]，可减少径向力波积分面积，能有效减少SRM脉动。

3.3 发明新颖SRM结构
新颖的SRM结构较多，但问题也不少，主要问题有制造难度大，成本高，损耗大，通
常为实验室产品。

4 控制策略
4.1 间接控制
角度位置控制（APC）、电流斩波控制（CCC）和电压斩波控制（VCC）是SRM传统的间接转矩控制方法[2]，利用电流或角度等量间接控制SRM，转矩脉动抑制效果有限。

学者们将
变结构[6]、迭代学习[7]、智能控制[8]和转矩分配策略[9]等方法引入到SRM控制中，以解决
转矩脉动抑制效果有限问题。

滑模变结构(Sliding Mode Control，SMC)控制方法，SMC控制器得到总参考转矩，借助转
矩分配函数(Torque-shared Function，TSF)获各相参考转矩，再用PI调节器获得各相参考电流，进而实现SRM转矩脉动的有效抑制。

利用迭代学习控制（Iterative Learning Control，ILC）设计SRM转矩控制器，利用转矩-
电流转换器将参考转矩转换为相电流，内部电流控制环跟随参考电流，进而抑制脉动。

智能控制是非线性控制，主要包括Sayeed的模糊控制[8]和Donovan的神经网络策略[7]。

模糊控制[6]：输入为位置、输出为相电流，SRM各相绕组通断控制利用控制器的隶属度函数
实时修改，但该控制器无记忆功能，参考值的改变使得控制器重新学习。

神经网络自适应
PID控制[7]，将人工神经网络与传统PID结合，能够实现对SRM转矩的控制。

TSF依据转矩分配函数，分配与控制各相电流所对应的转矩分量，进而使相瞬时转矩保
持不变，再逆向推导出各相电流，以使SRM转矩脉动减小[2]。

4.2 直接控制
直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC)起源于德国，应用于感应电机，后日本学者
将Bang-Bang控制的DTC思想成功应用于SRM[8]。

为更进一步减小转矩脉动，基于DTC技术，学者们将直接瞬时转矩控制（Direct Instantaneous Torque Control，DITC）应用于SRM。

DITC原理：转矩滞环控制器依据转矩误差，为SRM供应所需的“正”、“负”、“零”电压，开关信号送给SRM所有激励相[9]。

无差拍控制技术的基本思想是在一拍（即一个采样周期内）使输出跟随给定的输入。

磁
链无差拍算法[10]解析获得一个控制周期内能补偿磁链所需电压矢量,使磁链能被定量调节。

无差拍预测电流法[11]提高电流跟踪特性,减小因电流跟踪能力弱引起的转矩脉动。

无差拍直
接转矩和磁链控制算法[12]依据当前拍的系统参数采样值以及给定的理想参考值，可以推导
出系统下一控制周期所需的电压控制率，使得磁链和转矩同时达到“零”误差。

5 结论
SRM的优点和缺点都十分突出，为更好的发挥其优点，SRM的研究开发应用有如下特点：有节能需要；需频繁正反转且机械结构简单；对短时间过载有要求；有变速要求；对噪声和
振动无要求。

满足以上三点就能极大的发挥SRM的优点。

具有结构简单、成本低、效率高、容错能力好和无需稀土材料等优点的SRM，未来有广阔前景的，但任重道远。

参考文献
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