開關磁阻電機的振動和轉矩脈動抑制研究.pdf

1、在我國加速轉變經(jīng)濟增長方式的背景下，節(jié)能技術的推廣和應用成為工業(yè)發(fā)展的重要任務。工業(yè)電動機的用電量占全國工業(yè)用電量的2/3，發(fā)展高效電機是目前國家中小型電機產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品結構調整的重點，開關磁阻電機作為高效調速節(jié)能電機從九十年代就開始在我國作為工業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)，然而幾十年來振動、噪聲和轉矩脈動一直制約著開關磁阻電機在我國的應用和推廣。
　　開關磁阻電機因其結構簡單、工作可靠、效率高、成本低等優(yōu)點而成為當前極具競爭力的一種調速電動機，在我國已

2、成功地應用于電動車驅動、油田煤炭機械、鍛壓機械、家用電器和紡織機械等各個領域。由于轉子上沒有永磁體或繞組，開關磁阻電機具有較高的可靠性，適合應用于很多惡劣的環(huán)境或場合。在性能方面，開關磁阻電機具有頻繁正反轉、調速性能好、過載能力強、在寬廣的調速范圍內(nèi)效率高等優(yōu)點。然而由于其雙凸極結構、控制特點以及磁路飽和和非線性的影響，開關磁阻電機的噪聲、振動以及轉矩脈動比永磁電機和異步電機都要高，如何降低噪聲和振動一直以來都是開關磁阻電機領域研究的熱

3、點。本文分別從開關磁阻電機的新結構設計、改進的磁路解析計算、新型的高精度位置檢測裝置設計、電機控制策略設計、以及電機控制系統(tǒng)設計等方面入手，系統(tǒng)的提出抑制電機振動和轉矩脈動的設計方案，具有一定的工程意義和理論價值。
　　本文第一章首先闡述了本課題的研究目的和意義，然后介紹了開關磁阻電機相關領域的研究現(xiàn)狀，主要包括開關磁阻電機的振動和轉矩脈動抑制的方法、基于磁場分割法的電機磁路分析以及開關磁阻電機的轉子位置檢測方法這三個領域，其中著

4、重介紹了抑制電機振動的電機本體設計方法和削弱轉矩脈動的控制策略。
　　在第二章中提出一種在轉子齒兩側開槽的方法，通過改變轉子齒形來改變轉子表面氣隙磁密的方向，減小氣隙徑向磁密，同時增大切向磁密。由麥克斯韋張量法可知，電機的徑向力波可以得到有效抑制，達到減小電磁振動的目的。隨后比較了轉子齒單側開槽、兩側開槽和極靴型轉子三種開槽方式，通過有限元分析可知背離旋轉方向一側的開槽對電機性能沒有影響，兩側開槽時正轉和反轉可以獲得相同效果，極靴

5、型轉子齒的轉矩脈動稍大，但是三種開槽方式的徑向力波峰值相同。本章中研究了開槽寬度、開槽深度和齒頂高度這三個關鍵尺寸對轉矩脈動、徑向力波和平均轉矩的影響規(guī)律，通過有限元分析獲得樣機的最優(yōu)開槽尺寸。計算了相導通區(qū)間內(nèi)的徑向力波削弱百分比，在相導通的初期對振動抑制的效果最好，但隨著定子和轉子齒中心線夾角的減小，對振動抑制的水平降低。這種在轉子齒兩側開槽的方法改造和制造成本都較低，具有良好的工程意義。
　　在第三章提出了一種基于拋物線弧的

6、改進的磁場分割法，用于復雜定、轉子形狀的開關磁阻電機氣隙磁導計算，這種方法比傳統(tǒng)的基于圓弧的磁場分割法精度更高，比基于橢圓弧的磁場分割法的計算過程更簡潔。將定子與轉子的相對位置劃分為三個區(qū)間，應用改進的磁場分割法分別計算了三個區(qū)間里普通轉子和開槽轉子開關磁阻電機的氣隙磁導和氣隙磁密。本章還提出了一種開關磁阻電機徑向力波抑制百分比的解析計算方法，通過麥克斯韋張量法的表面力波方程以比值的方式計算了徑向力波的抑制程度。這種方法沒有計算具體的轉

7、子表面徑向力波數(shù)值，而是計算了徑向力的波削弱程度，這個過程中不需要考慮電流、電感、磁鏈等非線性很強的、很難采集的變量，只需要計算氣隙形狀改變帶來的氣隙磁導的變化。對于其他類型的雙凸極電機或通過改變定轉子齒形進行振動抑制的設計，都可以采用這個思路進行磁路驗算，可以大大提高優(yōu)化設計的效率，有較強的通用性。隨后將橢圓磁路法和拋物線磁路法計算的徑向力波抑制百分比與有限元分析的結果進行對比，由于沒有考慮飽和、漏磁等因素的影響，磁路法獲得的結果比有

8、限元法整體偏大，拋物線弧的磁路計算結果更接近有限元分析。本章最后進行了轉子開槽樣機（開槽參數(shù)由第二章確定）和普通樣機的振動對比測試，轉子開槽樣機的振動加速度明顯小于普通樣機，但是電機效率有略微的下降，實測的徑向力波抑制百分比與解析計算的結果接近，表明本章提出的方法是有效、準確的。試驗同時驗證了第二章提出的通過轉子開槽抑制電機振動的方法。
　　第四章中使用磁阻式多極旋轉變壓器進行開關磁阻電機的位置檢測，設計了旋轉變壓器位置檢測裝置，

9、可為旋轉變壓器提供勵磁信號，還可以輸出最大16384脈沖/周的增量式編碼器位置信號和模擬光電開關的位置信號，能夠提高開關磁阻電機的控制精度，可滿足高精度伺服控制的要求。
　　在第五章中提出一種基于電流追蹤的瞬時轉矩控制的新方法，將電機模型的轉矩-位置角平面的曲線，通過曲線擬合的數(shù)值分析方法構建不同電流下的轉矩曲線族表達式，得到電機的斬波限流值和瞬時轉矩的映射函數(shù)，通過控制電流實現(xiàn)開關磁阻電機的瞬時轉矩控制，可以降低轉矩脈動。這種方