四相8/6极开关磁阻电机调速系统的设计与研究

梁泽坤

【摘 要】四相8/6极开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）以其多样的优点在调速领域中受到广泛应用和关注。本研究对开关磁阻电机的工作特性和直接转矩控制的基本原理进行分析研究，针对开关磁阻电机的气隙偏心故障、提高工作稳定性、功率变换器的选择等问题总结出相应的解决办法，以提高开关磁阻电机在各种条件下工作的适应能力，减少故障率，尽量做到在不增加外加电路的情况下，有效提高开关磁阻电机工作的准确性、可靠性。

【关键词】四相开关磁阻电机；转矩脉动；动态及稳态性能

0 前言

四相8/6极开关磁阻电机为双凸极结构，由于具有结构简单、工作可靠、可操作性好、相间控制独立、动态性能好、适用范围广等特点，吸引了世界各国国家对开关磁阻电机各种性能和工作能力的研究分析。开关磁阻电机启动过程中易出现定子电流脉冲大，磁路饱和，涡流、磁滞效应，使脉动幅度增大，对电机内各零件的冲击和磨损加大，工作性能由此受到影响，因此根据实践要求对四相8/6极开关磁阻电机建立模型，为实物的设计与完善提供坚实的理论基础，作出改进，选择相间独立、电源电压利用率高的功率变换器拓扑，提高四相开关磁阻电机的动态及稳态性能。

1 开关磁阻电机的调速系统的分析

1.1 开关磁阻电机的工作原理和转矩特性

开关磁阻电机的工作原理为运行时遵循“磁阻最小原理”，即哪条通道磁阻最小该条路径磁通通路，当转子铁芯转动到磁阻最小位置时，电路通路，由扭曲的磁场形成的磁拉力产生力矩带动磁阻电机开始运转。四相开关磁阻电机系统磁路和电路相互独立，该特性使电机容错能力增强，工作稳定可靠，一相或多相出现故障时，其余相不受影响，依然可以正常工作。开关磁阻电机调速系统由开关磁阻电机、驱动电路、控制电路、功率变换电路、转子位置监测和电流检测电路等组成，开关磁阻电机调速系统的结构组成如图1所示：

开关磁阻电机调速系统（SRD）受到越来越多的关注，高能低耗、电力电子技术越来越进步，SRD系统在电动汽车领域得到青睐，起动转矩大，易启动，功率大，爬坡能力强，行驶稳定性和动力性都十分优越，低速时恒转矩输出，高速时恒功率输出，能源利用率高，不仅节约能源，也能减少有害尾气的排放，保护环境，缓解高峰期交通出行压力，增加出行方式，提高出行方便性和灵活性。开关磁阻电机结构简单，转子上无绕组，减少了工序复杂性，而且转子十分坚固，能够在高转速下工作，适用范围十分广泛。开关磁阻电机调速系统会根据转子的位置传感器输出相应的驱动脉冲，功率电路根据驱动信号的控制来向电动机的绕组通电，从而使转子产生转动。并根据电动机的转速情况进行相应的电压斩波控制，避免运行过程中出现过流、过压和欠压故障，保证开关磁阻电机的正常运行。

1.2 气隙偏心故障的检测与改进

开关磁阻电机的容错性具有很大优势，但是容错能力也是有限的，出现故障后运行电机会加剧电机零部件之间的摩擦，导致磨损，影响电机的工作性能。气隙偏心是开关磁阻电机运行过程中较常见到的故障之一，由于机械零件的质量问题和运行工况的复杂多样性，就会导致气隙偏心故障。气隙偏心故障会使定子与转子之间的气隙层不均匀，导致磁阻变化较大，径向力不能相互抵消，从而导致开关磁阻电机运行不稳定，产生较大的震动和噪声，是定子和转子受到的摩擦力加大，对定子和转子磨损严重，甚至会造成整个系统失控。气隙偏心故障的检测方法为使一相处于完全对齐位置，分别向其余三相注入正弦脉冲信号，记录下非励磁相中产生的电流波形，将气隙偏心状态下的电流波形与正常状态下的相比较得出影响气隙偏心故障的因素和产生气隙偏心的原因以及得到解决办法。

1.3 对开关磁阻电机进行直接转矩控制

开关磁阻电机对转矩的控制主要有T=i两种方法：直接转矩控制和直接瞬时转矩控制两种。直接瞬时转矩控制是通过检测电机的转矩误差根据设定的标准值判断控制电机绕组上的电压，从而进一步控制输出转矩，保证电机运转平稳可靠。根据公式可得转矩的方向与电流无关，而是由（1）的正负控制，（1）>0时，瞬时转矩T>0；当（1）<0时，瞬时转矩T<0。从式中可以看出转矩大小与电流瞬时值和磁共能与转子位置相关，可以通过控制绕组电压来改变瞬时转矩的大小以得到合适的目标值。

2 开关磁阻电机在功率变换器方面的分析与选择

2.1 功率变换器故障对对开关磁阻电机系统的影响

功率变换器作为开关磁阻电机的关键性部件，若出现故障会对开关磁阻电机的运行产生极大的影响。功率变换器的正常运行是电机可靠运转的重要保障，功率变换器在高频转速下和经常性的启动关闭极容易出现过热、磨损严重等现象，从而导致电路的开路或短路。针对功率变换器是磁阻电机较薄弱环节这一状况，要对功率变换器在各种工作条件下能承受的极限、电路开路短路对电机工作产生的影响进行研究，通过对比磁阻电机在正常工况下和功率变换器出现故障等级不同的情况下进行对比，得到科学客观的数据，分析功率变换器出现故障的原因，并提出相应的解决办法。

2.2 对功率变换器的故障检测技术

通过分析比较对功率变换器在正常工况和故障情况下工作状况进行分析比较，功率变换器短路会造成相电流幅值过大，电流起伏较大会导致电机运行不稳定，工作效率不高。而在低速运行时，电流幅值起伏不大，不容易检测到，具有一定的潜伏性，对于故障检测和故障元件的识别会造成一定的难度。功率变换器的开路故障则会直接导致开关磁阻电机电路故障而停止工作，该类故障相电流波形变化明显，容易检测出故障发生。一般采用的准确有效的检测方法为以电机正常工作、开路与短路故障时直流母线电流差值作为判断依据，判定是否发生故障以及开路故障还是短路故障，并根据直流母线电流的差值绝对值与各相电流比较，以得到具体那个相出现故障，再对该故障相进行故障元件排查已得到具体的故障元件，精确快速的对故障元件进行维修或者更换，排除故障。

2.3 开关磁阻电机驱动系统在电动自行车方面的应用

开关磁阻电机以构造简单、节省能源等优点在电动汽车等方面得到了广泛的应用。电动车作为一种新兴的交通工具，无排放尾气污染、保护环境、噪音小、灵活性好。将结构简单、低速力矩大的开关磁阻电机应用在电动车上，更可以凸显电动车相较于传统的内燃机车所具有的优势。四相开关磁阻电机能够满足电动车需能频繁起动，行驶平稳，承载能力强的要求，并能提供较大的力矩来应对各种坏路面、自然路障和无路地段。而电动车成本较低，开关磁阻电机也应满足经济型要求，减少主电路开关器件数量，避免使用大的储能电容来保证电动车的经济性能。开关磁阻电机运用在电动车上是要经过各方面的实验和性能检测，以确保能够达到电动车正常行驶需要的动力。对电机进行起动和加载试验，观察四相绕组电流波形是否平稳，从而判断电机能否实现可靠启动；观察在有一定负载情况下电流波形情况，观察得到电流波形基本对称，则可以得到电机能够实现在一定负载情况下运行平稳的要求。

3 结语

开关磁阻电机具有结构简单，成本较低，适用范围广等优点，受到广泛应用。本研究针对磁阻电机工作时转矩脉动较大、工作状况复杂、偏心故障等问题进行研究，提出相应的措施判断偏心故障产生原因、故障类型及解决偏心故障；提出解决电机频繁启动以及复杂工况下电机对应的工作策略，提高开关磁阻电机工作可靠性、精确性、安全性、稳定性；降低转矩脉动，实现模糊控制，提高系统的适应性、能够及时响应等工作特性。

【参考文献】

[1]甘醇.开关磁阻电机新型功率变换器的研究与设计[J].电机与控制应用，2011. 38（3）：12-16.

[2]何林，孙鹤旭.SRM的两种功率拓扑结构的性能研究[J].电力电子技术，2011（3）：41-42.

[责任编辑：王伟平]