梁澤坤

【摘 要】四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）以其多樣的優(yōu)點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域中受到廣泛應(yīng)用和關(guān)注。本研究對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的工作特性和直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理進(jìn)行分析研究，針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的氣隙偏心故障、提高工作穩(wěn)定性、功率變換器的選擇等問題總結(jié)出相應(yīng)的解決辦法，以提高開關(guān)磁阻電機(jī)在各種條件下工作的適應(yīng)能力，減少故障率，盡量做到在不增加外加電路的情況下，有效提高開關(guān)磁阻電機(jī)工作的準(zhǔn)確性、可靠性。

【關(guān)鍵詞】四相開關(guān)磁阻電機(jī)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能

0 前言

四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、可操作性好、相間控制獨(dú)立、動(dòng)態(tài)性能好、適用范圍廣等特點(diǎn)，吸引了世界各國(guó)國(guó)家對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)各種性能和工作能力的研究分析。開關(guān)磁阻電機(jī)啟動(dòng)過程中易出現(xiàn)定子電流脈沖大，磁路飽和，渦流、磁滯效應(yīng)，使脈動(dòng)幅度增大，對(duì)電機(jī)內(nèi)各零件的沖擊和磨損加大，工作性能由此受到影響，因此根據(jù)實(shí)踐要求對(duì)四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)建立模型，為實(shí)物的設(shè)計(jì)與完善提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，作出改進(jìn)，選擇相間獨(dú)立、電源電壓利用率高的功率變換器拓?fù)?，提高四相開關(guān)磁阻電機(jī)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的分析

1.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理和轉(zhuǎn)矩特性

開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理為運(yùn)行時(shí)遵循“磁阻最小原理”，即哪條通道磁阻最小該條路徑磁通通路，當(dāng)轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)到磁阻最小位置時(shí)，電路通路，由扭曲的磁場(chǎng)形成的磁拉力產(chǎn)生力矩帶動(dòng)磁阻電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。四相開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)磁路和電路相互獨(dú)立，該特性使電機(jī)容錯(cuò)能力增強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠，一相或多相出現(xiàn)故障時(shí)，其余相不受影響，依然可以正常工作。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由開關(guān)磁阻電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、功率變換電路、轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測(cè)和電流檢測(cè)電路等組成，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示：

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）受到越來越多的關(guān)注，高能低耗、電力電子技術(shù)越來越進(jìn)步，SRD系統(tǒng)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到青睞，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易啟動(dòng)，功率大，爬坡能力強(qiáng)，行駛穩(wěn)定性和動(dòng)力性都十分優(yōu)越，低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩輸出，高速時(shí)恒功率輸出，能源利用率高，不僅節(jié)約能源，也能減少有害尾氣的排放，保護(hù)環(huán)境，緩解高峰期交通出行壓力，增加出行方式，提高出行方便性和靈活性。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上無繞組，減少了工序復(fù)雜性，而且轉(zhuǎn)子十分堅(jiān)固，能夠在高轉(zhuǎn)速下工作，適用范圍十分廣泛。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置傳感器輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖，功率電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制來向電動(dòng)機(jī)的繞組通電，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。并根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速情況進(jìn)行相應(yīng)的電壓斬波控制，避免運(yùn)行過程中出現(xiàn)過流、過壓和欠壓故障，保證開關(guān)磁阻電機(jī)的正常運(yùn)行。

1.2 氣隙偏心故障的檢測(cè)與改進(jìn)

開關(guān)磁阻電機(jī)的容錯(cuò)性具有很大優(yōu)勢(shì)，但是容錯(cuò)能力也是有限的，出現(xiàn)故障后運(yùn)行電機(jī)會(huì)加劇電機(jī)零部件之間的摩擦，導(dǎo)致磨損，影響電機(jī)的工作性能。氣隙偏心是開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行過程中較常見到的故障之一，由于機(jī)械零件的質(zhì)量問題和運(yùn)行工況的復(fù)雜多樣性，就會(huì)導(dǎo)致氣隙偏心故障。氣隙偏心故障會(huì)使定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙層不均勻，導(dǎo)致磁阻變化較大，徑向力不能相互抵消，從而導(dǎo)致開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生較大的震動(dòng)和噪聲，是定子和轉(zhuǎn)子受到的摩擦力加大，對(duì)定子和轉(zhuǎn)子磨損嚴(yán)重，甚至?xí)斐烧麄€(gè)系統(tǒng)失控。氣隙偏心故障的檢測(cè)方法為使一相處于完全對(duì)齊位置，分別向其余三相注入正弦脈沖信號(hào)，記錄下非勵(lì)磁相中產(chǎn)生的電流波形，將氣隙偏心狀態(tài)下的電流波形與正常狀態(tài)下的相比較得出影響氣隙偏心故障的因素和產(chǎn)生氣隙偏心的原因以及得到解決辦法。

1.3 對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制

開關(guān)磁阻電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制主要有T=i兩種方法：直接轉(zhuǎn)矩控制和直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制兩種。直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制是通過檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩誤差根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值判斷控制電機(jī)繞組上的電壓，從而進(jìn)一步控制輸出轉(zhuǎn)矩，保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。根據(jù)公式可得轉(zhuǎn)矩的方向與電流無關(guān)，而是由（1）的正負(fù)控制，（1）>0時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩T>0；當(dāng)（1）<0時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩T<0。從式中可以看出轉(zhuǎn)矩大小與電流瞬時(shí)值和磁共能與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)，可以通過控制繞組電壓來改變瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小以得到合適的目標(biāo)值。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)在功率變換器方面的分析與選擇

2.1 功率變換器故障對(duì)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的影響

功率變換器作為開關(guān)磁阻電機(jī)的關(guān)鍵性部件，若出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生極大的影響。功率變換器的正常運(yùn)行是電機(jī)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障，功率變換器在高頻轉(zhuǎn)速下和經(jīng)常性的啟動(dòng)關(guān)閉極容易出現(xiàn)過熱、磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電路的開路或短路。針對(duì)功率變換器是磁阻電機(jī)較薄弱環(huán)節(jié)這一狀況，要對(duì)功率變換器在各種工作條件下能承受的極限、電路開路短路對(duì)電機(jī)工作產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，通過對(duì)比磁阻電機(jī)在正常工況下和功率變換器出現(xiàn)故障等級(jí)不同的情況下進(jìn)行對(duì)比，得到科學(xué)客觀的數(shù)據(jù)，分析功率變換器出現(xiàn)故障的原因，并提出相應(yīng)的解決辦法。

2.2 對(duì)功率變換器的故障檢測(cè)技術(shù)

通過分析比較對(duì)功率變換器在正常工況和故障情況下工作狀況進(jìn)行分析比較，功率變換器短路會(huì)造成相電流幅值過大，電流起伏較大會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，工作效率不高。而在低速運(yùn)行時(shí)，電流幅值起伏不大，不容易檢測(cè)到，具有一定的潛伏性，對(duì)于故障檢測(cè)和故障元件的識(shí)別會(huì)造成一定的難度。功率變換器的開路故障則會(huì)直接導(dǎo)致開關(guān)磁阻電機(jī)電路故障而停止工作，該類故障相電流波形變化明顯，容易檢測(cè)出故障發(fā)生。一般采用的準(zhǔn)確有效的檢測(cè)方法為以電機(jī)正常工作、開路與短路故障時(shí)直流母線電流差值作為判斷依據(jù)，判定是否發(fā)生故障以及開路故障還是短路故障，并根據(jù)直流母線電流的差值絕對(duì)值與各相電流比較，以得到具體那個(gè)相出現(xiàn)故障，再對(duì)該故障相進(jìn)行故障元件排查已得到具體的故障元件，精確快速的對(duì)故障元件進(jìn)行維修或者更換，排除故障。

2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)自行車方面的應(yīng)用

開關(guān)磁阻電機(jī)以構(gòu)造簡(jiǎn)單、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)汽車等方面得到了廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)車作為一種新興的交通工具，無排放尾氣污染、保護(hù)環(huán)境、噪音小、靈活性好。將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低速力矩大的開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用在電動(dòng)車上，更可以凸顯電動(dòng)車相較于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車所具有的優(yōu)勢(shì)。四相開關(guān)磁阻電機(jī)能夠滿足電動(dòng)車需能頻繁起動(dòng)，行駛平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)的要求，并能提供較大的力矩來應(yīng)對(duì)各種壞路面、自然路障和無路地段。而電動(dòng)車成本較低，開關(guān)磁阻電機(jī)也應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)型要求，減少主電路開關(guān)器件數(shù)量，避免使用大的儲(chǔ)能電容來保證電動(dòng)車的經(jīng)濟(jì)性能。開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)用在電動(dòng)車上是要經(jīng)過各方面的實(shí)驗(yàn)和性能檢測(cè)，以確保能夠達(dá)到電動(dòng)車正常行駛需要的動(dòng)力。對(duì)電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)和加載試驗(yàn)，觀察四相繞組電流波形是否平穩(wěn)，從而判斷電機(jī)能否實(shí)現(xiàn)可靠啟動(dòng)；觀察在有一定負(fù)載情況下電流波形情況，觀察得到電流波形基本對(duì)稱，則可以得到電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在一定負(fù)載情況下運(yùn)行平穩(wěn)的要求。

3 結(jié)語

開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛應(yīng)用。本研究針對(duì)磁阻電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大、工作狀況復(fù)雜、偏心故障等問題進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的措施判斷偏心故障產(chǎn)生原因、故障類型及解決偏心故障；提出解決電機(jī)頻繁啟動(dòng)以及復(fù)雜工況下電機(jī)對(duì)應(yīng)的工作策略，提高開關(guān)磁阻電機(jī)工作可靠性、精確性、安全性、穩(wěn)定性；降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模糊控制，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性、能夠及時(shí)響應(yīng)等工作特性。

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[責(zé)任編輯：王偉平]