1.2 雙凸極電機(jī)發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

1.2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的歷史沿革

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor, SRM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、調(diào)速范圍寬、可容錯(cuò)運(yùn)行等特點(diǎn)[9]，在工業(yè)驅(qū)動(dòng)中具有較大的應(yīng)用潛力。SRM的雛形出現(xiàn)于第一次工業(yè)革命時(shí)期的英國(guó)。1842年英國(guó)的Aberdeen和Davidson用兩個(gè)U形電磁鐵制造了蓄電池，用它給電動(dòng)車供電，其工作原理與現(xiàn)在的SRM很相似。由于當(dāng)時(shí)功率半導(dǎo)體器件還沒(méi)有出現(xiàn)，只能采用機(jī)械開(kāi)關(guān)的方式對(duì)蓄電池進(jìn)行控制，因此這一發(fā)明在應(yīng)用便捷性和性能方面存在很大問(wèn)題，在功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件出現(xiàn)前并沒(méi)有得到重視。20世紀(jì)60年代，大功率晶閘管開(kāi)始在工業(yè)中應(yīng)用，采用功率開(kāi)關(guān)器件作為驅(qū)動(dòng)的SRM在易用性和可靠性方面得到了較大提升，迎來(lái)了其第一個(gè)高速發(fā)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(kāi)關(guān)性，即電機(jī)通過(guò)連續(xù)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；②磁阻性，即SRM具有雙凸極結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子間磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，轉(zhuǎn)子傾向于向最小磁阻的位置轉(zhuǎn)動(dòng)。1974年，福特汽車公司研發(fā)出最早的SRM控制器，開(kāi)啟了SRM的工程應(yīng)用。1980年，英國(guó)利茲大學(xué)的Lawrenson等發(fā)表論文[10]，系統(tǒng)地闡述了SRM的原理及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，引發(fā)了SRM的研究熱潮。英國(guó)TASC Drives公司是世界上第一家生產(chǎn)SRM及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的公司，于1983年推出了第一臺(tái)商品化SRM傳動(dòng)系統(tǒng)（7.5kW，1500r/min）。SRM鮮明的特點(diǎn)引起了大批學(xué)者的研究興趣，日本、英國(guó)、美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家都開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作。

理論研究和實(shí)際應(yīng)用表明，由于SRM采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控制策略，其單位體積出力完全可以與異步電動(dòng)機(jī)相媲美，甚至還略占優(yōu)勢(shì)，更可貴的是在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)系統(tǒng)效率都可維持在較高水平。1989年，Harris教授將SRM與異步電動(dòng)機(jī)做了詳細(xì)的比較，結(jié)論表明，SRM在效率、單位體積出力等方面均是優(yōu)勝者。各國(guó)學(xué)者將SRM調(diào)速系統(tǒng)與各類調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)比較，結(jié)果表明，SRM調(diào)速系統(tǒng)具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，SRM的研究工作已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，其產(chǎn)品在電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、資源開(kāi)采、航空航天、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，功率范圍為10W～5MW，轉(zhuǎn)速高達(dá)100000r/min。

從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始，隨著現(xiàn)代功率電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高速發(fā)展，也促進(jìn)了SRM的迅速發(fā)展。歐美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究比較早，并且取得了一些顯著成果，其所研發(fā)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通、航空和國(guó)防等領(lǐng)域。圖1.1為比利時(shí)公司研制的裝有SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的公交汽車，其動(dòng)力是由兩臺(tái)12/8極SRM和一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供的，這種設(shè)計(jì)無(wú)需齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可與車輪直接耦合。與傳統(tǒng)柴油動(dòng)力公交汽車相比，這種架構(gòu)設(shè)計(jì)使得動(dòng)力系統(tǒng)可在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)獲得較高的效率，同時(shí)可節(jié)省燃料30%，減少二氧化碳排放25%～40%。圖1.2為英國(guó)威爾公司生產(chǎn)的SRM驅(qū)動(dòng)水泵，該水泵可在任意工況下實(shí)現(xiàn)頻繁快速起停操作，與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案相比節(jié)省空間60%。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)消除了齒輪箱、連接器、軟起動(dòng)器和控制閥等多種部件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

從1984年開(kāi)始，我國(guó)許多單位先后開(kāi)展了SRM的研究工作，如北京紡織機(jī)械研究所（即中國(guó)紡織總會(huì)紡織機(jī)電研究所）、華中理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)、福州大學(xué)、華南理工大學(xué)及浙江大學(xué)等，且SRM被列入中小型電機(jī)“七五”科研規(guī)劃項(xiàng)目。在借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)SRM的研究進(jìn)展很快，對(duì)電機(jī)的控制、仿真、設(shè)計(jì)理論和電磁場(chǎng)數(shù)值分析等都做了許多工作，在國(guó)際、國(guó)內(nèi)刊物和會(huì)議上發(fā)表了許多篇論文。1988年11月在南京航空航天大學(xué)召開(kāi)了首屆SRM研討會(huì)。1991年9月，在華中理工大學(xué)召開(kāi)了第二屆SRM研討會(huì)。參加人員來(lái)自全國(guó)高校、研究所和工廠等25個(gè)單位，大會(huì)上成果交流表明，我國(guó)SRM的理論研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，參加研制的單位有了顯著的增加。1993年12月，北京開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用研討會(huì)上，在中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)中小型電機(jī)專業(yè)委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下，正式成立了SRM學(xué)組。多年來(lái)，我國(guó)已研制了50W～30kW、20多個(gè)規(guī)格的工業(yè)產(chǎn)品樣機(jī)，在紡織機(jī)械、毛巾印花機(jī)、貝寧格-澤爾漿紗機(jī)、多功能蒸煮聯(lián)合機(jī)以及輕型龍門(mén)刨床和食品加工機(jī)械等方面的應(yīng)用中取得了良好的效果。但應(yīng)該看到，目前我國(guó)SRM的理論研究和實(shí)際應(yīng)用都存在較大的不足和差距。

由于SRM特殊的雙凸極結(jié)構(gòu)，在各相繞組換相過(guò)程中，繞組突然關(guān)斷導(dǎo)致相電流變化率較大，磁場(chǎng)迅速變化，從而導(dǎo)致電機(jī)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)相較于傳統(tǒng)的永磁交、直流電機(jī)和異步電機(jī)都要高，由徑向磁吸力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲，已成為阻礙SRM應(yīng)用及發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。為此，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者針對(duì)SRM的振動(dòng)和噪聲抑制問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作。

對(duì)于SRM減振主要從電機(jī)振動(dòng)機(jī)理出發(fā)，一類是采用控制電路，使電機(jī)換相過(guò)程變得緩慢，最大限度地降低關(guān)斷過(guò)程中電磁力變化率的最大值，或者控制徑向電磁力來(lái)減小振動(dòng)。另一類從電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)入手，重點(diǎn)集中在提高電機(jī)低階固有頻率，改變電機(jī)電磁場(chǎng)的走勢(shì)，使得結(jié)構(gòu)改變對(duì)徑向電磁力的影響程度高于切向電磁力，達(dá)到削減徑向電磁力的目的。

SRM振動(dòng)主要是由電機(jī)電壓下降沿瞬時(shí)變化引起的，電壓在開(kāi)通瞬間并不會(huì)對(duì)電機(jī)振動(dòng)造成影響，為了改變電壓瞬變導(dǎo)致電磁力瞬變的負(fù)面影響，Wu和Pollock提出了兩步換相法，在電壓關(guān)斷正負(fù)峰值之間嵌入固有頻率周期一半的零電位，降低了換相過(guò)程中電磁力變化率的最大值。諸自強(qiáng)、劉旭等通過(guò)對(duì)這類主動(dòng)減振方法進(jìn)行深入的研究，理論推導(dǎo)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(xiàn)[12]采用數(shù)字PWM（脈寬調(diào)制）的控制方式實(shí)現(xiàn)了兩步換相法的主動(dòng)式減振策略，實(shí)驗(yàn)表明，該方法具有很好的減振效果，而且降低了電機(jī)的損耗，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等性能得到了提高。

從電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行減振，是目前通用性比較好的方式之一，Sun J和Zhan Q等對(duì)電機(jī)定子外殼的形態(tài)進(jìn)行研究，得出具有向外輻射式形狀的鋼制導(dǎo)條結(jié)構(gòu)能夠顯著地提高電機(jī)的固有頻率，具有很好的減振效果[13]。參考文獻(xiàn)[14,15]采用扭曲定轉(zhuǎn)子的方法，延展了定子凸極表面，減小了單位面積內(nèi)定子凸極表面的電磁力，該方法較之于傳統(tǒng)電機(jī)具有很好的減振效果。參考文獻(xiàn)[16]考慮了電機(jī)的極對(duì)數(shù)對(duì)電機(jī)電磁力的分配的影響，得出適當(dāng)增加電機(jī)極對(duì)數(shù)有利于降低徑向電磁力的合力，但會(huì)增加制造成本。張?chǎng)巍⑼跣愫偷葘?duì)轉(zhuǎn)子側(cè)開(kāi)槽后電機(jī)徑向電磁力進(jìn)行分析計(jì)算，得出該方法對(duì)徑向電磁力具有一定抑制作用，但會(huì)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出有一定的影響[17,18]。參考文獻(xiàn)[19]分析了繞組和端蓋對(duì)固有頻率的影響。參考文獻(xiàn)[20]在此前轉(zhuǎn)子加窗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用有限元分析的方法對(duì)定子開(kāi)窗進(jìn)行了設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子開(kāi)窗、定子開(kāi)窗與傳統(tǒng)的電機(jī)相比減小了徑向電磁力，但同時(shí)減小了輸出轉(zhuǎn)矩。上述從電機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的減振研究也會(huì)不同程度地影響輸出轉(zhuǎn)矩。

近20年來(lái)，SRM的研究在國(guó)內(nèi)外取得了很大的發(fā)展，但作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究的歷史還較短，其技術(shù)涉及電機(jī)學(xué)、微電子、電力電子、控制理論等眾多學(xué)科領(lǐng)域，加之其復(fù)雜的非線性特性，導(dǎo)致研究的困難性。在電機(jī)理論、性能分析和設(shè)計(jì)等方面都還不夠成熟、完善，存在大量的工作需進(jìn)一步研究，如鐵心損耗、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪聲的理論研究，SRM磁場(chǎng)的二維有限元分析，電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制參數(shù)的優(yōu)化，電機(jī)測(cè)試，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，新結(jié)構(gòu)SRM的開(kāi)發(fā)等。