1.2 雙凸極電機發展歷程及研究現狀

1.2.1 開關磁阻電機的歷史沿革

開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）具有結構簡單、制造成本低、調速范圍寬、可容錯運行等特點[9]，在工業驅動中具有較大的應用潛力。SRM的雛形出現于第一次工業革命時期的英國。1842年英國的Aberdeen和Davidson用兩個U形電磁鐵制造了蓄電池，用它給電動車供電，其工作原理與現在的SRM很相似。由于當時功率半導體器件還沒有出現，只能采用機械開關的方式對蓄電池進行控制，因此這一發明在應用便捷性和性能方面存在很大問題，在功率半導體開關器件出現前并沒有得到重視。20世紀60年代，大功率晶閘管開始在工業中應用，采用功率開關器件作為驅動的SRM在易用性和可靠性方面得到了較大提升，迎來了其第一個高速發展階段。S.A.Nasar在1969年正式提出了“switched reluctance motor”一詞，并定義了SRM的基本特征：①開關性，即電機通過連續的開關動作進行連續運轉；②磁阻性，即SRM具有雙凸極結構，定、轉子間磁路的磁阻隨轉子位置的變化而變化，轉子傾向于向最小磁阻的位置轉動。1974年，福特汽車公司研發出最早的SRM控制器，開啟了SRM的工程應用。1980年，英國利茲大學的Lawrenson等發表論文[10]，系統地闡述了SRM的原理及設計特點，引發了SRM的研究熱潮。英國TASC Drives公司是世界上第一家生產SRM及其驅動系統產品的公司，于1983年推出了第一臺商品化SRM傳動系統（7.5kW，1500r/min）。SRM鮮明的特點引起了大批學者的研究興趣，日本、英國、美國、中國等國家都開展了相應的研究工作。

理論研究和實際應用表明，由于SRM采用了獨特的結構和相應的控制策略，其單位體積出力完全可以與異步電動機相媲美，甚至還略占優勢，更可貴的是在整個調速范圍內系統效率都可維持在較高水平。1989年，Harris教授將SRM與異步電動機做了詳細的比較，結論表明，SRM在效率、單位體積出力等方面均是優勝者。各國學者將SRM調速系統與各類調速系統進行了系統比較，結果表明，SRM調速系統具有極強的競爭力。經過多年的發展，SRM的研究工作已經取得了很大進展，其產品在電動汽車、風力發電、資源開采、航空航天、家用電器等領域得到了廣泛應用，功率范圍為10W～5MW，轉速高達100000r/min。

從20世紀70年代末開始，隨著現代功率電子技術、計算機技術等高速發展，也促進了SRM的迅速發展。歐美等經濟發達國家對SRM驅動系統的研究比較早，并且取得了一些顯著成果，其所研發的驅動產品已廣泛應用于交通、航空和國防等領域。圖1.1為比利時公司研制的裝有SRM驅動系統的公交汽車，其動力是由兩臺12/8極SRM和一臺柴油發動機提供的，這種設計無需齒輪傳動機構，驅動系統可與車輪直接耦合。與傳統柴油動力公交汽車相比，這種架構設計使得動力系統可在較寬的負載范圍內獲得較高的效率，同時可節省燃料30%，減少二氧化碳排放25%～40%。圖1.2為英國威爾公司生產的SRM驅動水泵，該水泵可在任意工況下實現頻繁快速起停操作，與傳統驅動方案相比節省空間60%。其獨特的設計消除了齒輪箱、連接器、軟起動器和控制閥等多種部件，簡化了系統結構。

從1984年開始，我國許多單位先后開展了SRM的研究工作，如北京紡織機械研究所（即中國紡織總會紡織機電研究所）、華中理工大學、南京航空航天大學、東南大學、福州大學、華南理工大學及浙江大學等，且SRM被列入中小型電機“七五”科研規劃項目。在借鑒國外經驗的基礎上，我國SRM的研究進展很快，對電機的控制、仿真、設計理論和電磁場數值分析等都做了許多工作，在國際、國內刊物和會議上發表了許多篇論文。1988年11月在南京航空航天大學召開了首屆SRM研討會。1991年9月，在華中理工大學召開了第二屆SRM研討會。參加人員來自全國高校、研究所和工廠等25個單位，大會上成果交流表明，我國SRM的理論研究和應用已經取得了較大的進展，參加研制的單位有了顯著的增加。1993年12月，北京開關磁阻電機調速系統工業應用研討會上，在中國電工技術學會中小型電機專業委員會領導下，正式成立了SRM學組。多年來，我國已研制了50W～30kW、20多個規格的工業產品樣機，在紡織機械、毛巾印花機、貝寧格-澤爾漿紗機、多功能蒸煮聯合機以及輕型龍門刨床和食品加工機械等方面的應用中取得了良好的效果。但應該看到，目前我國SRM的理論研究和實際應用都存在較大的不足和差距。

由于SRM特殊的雙凸極結構，在各相繞組換相過程中，繞組突然關斷導致相電流變化率較大，磁場迅速變化，從而導致電機定子所受徑向力不平衡程度增大，引起定子變形。SRM的徑向磁吸力和轉矩脈動相較于傳統的永磁交、直流電機和異步電機都要高，由徑向磁吸力和轉矩脈動帶來的振動和噪聲，已成為阻礙SRM應用及發展的一個重要問題。為此，國內外眾多專家學者針對SRM的振動和噪聲抑制問題開展了大量的研究工作。

對于SRM減振主要從電機振動機理出發，一類是采用控制電路，使電機換相過程變得緩慢，最大限度地降低關斷過程中電磁力變化率的最大值，或者控制徑向電磁力來減小振動。另一類從電機的本體結構入手，重點集中在提高電機低階固有頻率，改變電機電磁場的走勢，使得結構改變對徑向電磁力的影響程度高于切向電磁力，達到削減徑向電磁力的目的。

SRM振動主要是由電機電壓下降沿瞬時變化引起的，電壓在開通瞬間并不會對電機振動造成影響，為了改變電壓瞬變導致電磁力瞬變的負面影響，Wu和Pollock提出了兩步換相法，在電壓關斷正負峰值之間嵌入固有頻率周期一半的零電位，降低了換相過程中電磁力變化率的最大值。諸自強、劉旭等通過對這類主動減振方法進行深入的研究，理論推導出了該方法的最大減振效果，證明了該類減振方法存在的局限性[11]。參考文獻[12]采用數字PWM（脈寬調制）的控制方式實現了兩步換相法的主動式減振策略，實驗表明，該方法具有很好的減振效果，而且降低了電機的損耗，使轉矩脈動等性能得到了提高。

從電機的本體結構出發進行減振，是目前通用性比較好的方式之一，Sun J和Zhan Q等對電機定子外殼的形態進行研究，得出具有向外輻射式形狀的鋼制導條結構能夠顯著地提高電機的固有頻率，具有很好的減振效果[13]。參考文獻[14,15]采用扭曲定轉子的方法，延展了定子凸極表面，減小了單位面積內定子凸極表面的電磁力，該方法較之于傳統電機具有很好的減振效果。參考文獻[16]考慮了電機的極對數對電機電磁力的分配的影響，得出適當增加電機極對數有利于降低徑向電磁力的合力，但會增加制造成本。張鑫、王秀和等對轉子側開槽后電機徑向電磁力進行分析計算，得出該方法對徑向電磁力具有一定抑制作用，但會對電機的轉矩輸出有一定的影響[17,18]。參考文獻[19]分析了繞組和端蓋對固有頻率的影響。參考文獻[20]在此前轉子加窗的基礎上進行了優化設計，采用有限元分析的方法對定子開窗進行了設計，轉子開窗、定子開窗與傳統的電機相比減小了徑向電磁力，但同時減小了輸出轉矩。上述從電機本體結構進行的減振研究也會不同程度地影響輸出轉矩。

近20年來，SRM的研究在國內外取得了很大的發展，但作為一種新型調速驅動系統，研究的歷史還較短，其技術涉及電機學、微電子、電力電子、控制理論等眾多學科領域，加之其復雜的非線性特性，導致研究的困難性。在電機理論、性能分析和設計等方面都還不夠成熟、完善，存在大量的工作需進一步研究，如鐵心損耗、轉矩波動和噪聲的理論研究，SRM磁場的二維有限元分析，電機優化設計及控制參數的優化，電機測試，無位置傳感器控制技術，新結構SRM的開發等。