1.2 双凸极电机发展历程及研究现状

1.2.1 开关磁阻电机的历史沿革

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）具有结构简单、制造成本低、调速范围宽、可容错运行等特点[9]，在工业驱动中具有较大的应用潜力。SRM的雏形出现于第一次工业革命时期的英国。1842年英国的Aberdeen和Davidson用两个U形电磁铁制造了蓄电池，用它给电动车供电，其工作原理与现在的SRM很相似。由于当时功率半导体器件还没有出现，只能采用机械开关的方式对蓄电池进行控制，因此这一发明在应用便捷性和性能方面存在很大问题，在功率半导体开关器件出现前并没有得到重视。20世纪60年代，大功率晶闸管开始在工业中应用，采用功率开关器件作为驱动的SRM在易用性和可靠性方面得到了较大提升，迎来了其第一个高速发展阶段。S.A.Nasar在1969年正式提出了“switched reluctance motor”一词，并定义了SRM的基本特征：①开关性，即电机通过连续的开关动作进行连续运转；②磁阻性，即SRM具有双凸极结构，定、转子间磁路的磁阻随转子位置的变化而变化，转子倾向于向最小磁阻的位置转动。1974年，福特汽车公司研发出最早的SRM控制器，开启了SRM的工程应用。1980年，英国利兹大学的Lawrenson等发表论文[10]，系统地阐述了SRM的原理及设计特点，引发了SRM的研究热潮。英国TASC Drives公司是世界上第一家生产SRM及其驱动系统产品的公司，于1983年推出了第一台商品化SRM传动系统（7.5kW，1500r/min）。SRM鲜明的特点引起了大批学者的研究兴趣，日本、英国、美国、中国等国家都开展了相应的研究工作。

理论研究和实际应用表明，由于SRM采用了独特的结构和相应的控制策略，其单位体积出力完全可以与异步电动机相媲美，甚至还略占优势，更可贵的是在整个调速范围内系统效率都可维持在较高水平。1989年，Harris教授将SRM与异步电动机做了详细的比较，结论表明，SRM在效率、单位体积出力等方面均是优胜者。各国学者将SRM调速系统与各类调速系统进行了系统比较，结果表明，SRM调速系统具有极强的竞争力。经过多年的发展，SRM的研究工作已经取得了很大进展，其产品在电动汽车、风力发电、资源开采、航空航天、家用电器等领域得到了广泛应用，功率范围为10W～5MW，转速高达100000r/min。

从20世纪70年代末开始，随着现代功率电子技术、计算机技术等高速发展，也促进了SRM的迅速发展。欧美等经济发达国家对SRM驱动系统的研究比较早，并且取得了一些显著成果，其所研发的驱动产品已广泛应用于交通、航空和国防等领域。图1.1为比利时公司研制的装有SRM驱动系统的公交汽车，其动力是由两台12/8极SRM和一台柴油发动机提供的，这种设计无需齿轮传动机构，驱动系统可与车轮直接耦合。与传统柴油动力公交汽车相比，这种架构设计使得动力系统可在较宽的负载范围内获得较高的效率，同时可节省燃料30%，减少二氧化碳排放25%～40%。图1.2为英国威尔公司生产的SRM驱动水泵，该水泵可在任意工况下实现频繁快速起停操作，与传统驱动方案相比节省空间60%。其独特的设计消除了齿轮箱、连接器、软起动器和控制阀等多种部件，简化了系统结构。

图1.1 SRM驱动的公交汽车

图1.2 SRM水泵的组装图

从1984年开始，我国许多单位先后开展了SRM的研究工作，如北京纺织机械研究所（即中国纺织总会纺织机电研究所）、华中理工大学、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华南理工大学及浙江大学等，且SRM被列入中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴国外经验的基础上，我国SRM的研究进展很快，对电机的控制、仿真、设计理论和电磁场数值分析等都做了许多工作，在国际、国内刊物和会议上发表了许多篇论文。1988年11月在南京航空航天大学召开了首届SRM研讨会。1991年9月，在华中理工大学召开了第二届SRM研讨会。参加人员来自全国高校、研究所和工厂等25个单位，大会上成果交流表明，我国SRM的理论研究和应用已经取得了较大的进展，参加研制的单位有了显著的增加。1993年12月，北京开关磁阻电机调速系统工业应用研讨会上，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下，正式成立了SRM学组。多年来，我国已研制了50W～30kW、20多个规格的工业产品样机，在纺织机械、毛巾印花机、贝宁格-泽尔浆纱机、多功能蒸煮联合机以及轻型龙门刨床和食品加工机械等方面的应用中取得了良好的效果。但应该看到，目前我国SRM的理论研究和实际应用都存在较大的不足和差距。

由于SRM特殊的双凸极结构，在各相绕组换相过程中，绕组突然关断导致相电流变化率较大，磁场迅速变化，从而导致电机定子所受径向力不平衡程度增大，引起定子变形。SRM的径向磁吸力和转矩脉动相较于传统的永磁交、直流电机和异步电机都要高，由径向磁吸力和转矩脉动带来的振动和噪声，已成为阻碍SRM应用及发展的一个重要问题。为此，国内外众多专家学者针对SRM的振动和噪声抑制问题开展了大量的研究工作。

对于SRM减振主要从电机振动机理出发，一类是采用控制电路，使电机换相过程变得缓慢，最大限度地降低关断过程中电磁力变化率的最大值，或者控制径向电磁力来减小振动。另一类从电机的本体结构入手，重点集中在提高电机低阶固有频率，改变电机电磁场的走势，使得结构改变对径向电磁力的影响程度高于切向电磁力，达到削减径向电磁力的目的。

SRM振动主要是由电机电压下降沿瞬时变化引起的，电压在开通瞬间并不会对电机振动造成影响，为了改变电压瞬变导致电磁力瞬变的负面影响，Wu和Pollock提出了两步换相法，在电压关断正负峰值之间嵌入固有频率周期一半的零电位，降低了换相过程中电磁力变化率的最大值。诸自强、刘旭等通过对这类主动减振方法进行深入的研究，理论推导出了该方法的最大减振效果，证明了该类减振方法存在的局限性[11]。参考文献[12]采用数字PWM（脉宽调制）的控制方式实现了两步换相法的主动式减振策略，实验表明，该方法具有很好的减振效果，而且降低了电机的损耗，使转矩脉动等性能得到了提高。

从电机的本体结构出发进行减振，是目前通用性比较好的方式之一，Sun J和Zhan Q等对电机定子外壳的形态进行研究，得出具有向外辐射式形状的钢制导条结构能够显著地提高电机的固有频率，具有很好的减振效果[13]。参考文献[14,15]采用扭曲定转子的方法，延展了定子凸极表面，减小了单位面积内定子凸极表面的电磁力，该方法较之于传统电机具有很好的减振效果。参考文献[16]考虑了电机的极对数对电机电磁力的分配的影响，得出适当增加电机极对数有利于降低径向电磁力的合力，但会增加制造成本。张鑫、王秀和等对转子侧开槽后电机径向电磁力进行分析计算，得出该方法对径向电磁力具有一定抑制作用，但会对电机的转矩输出有一定的影响[17,18]。参考文献[19]分析了绕组和端盖对固有频率的影响。参考文献[20]在此前转子加窗的基础上进行了优化设计，采用有限元分析的方法对定子开窗进行了设计，转子开窗、定子开窗与传统的电机相比减小了径向电磁力，但同时减小了输出转矩。上述从电机本体结构进行的减振研究也会不同程度地影响输出转矩。

近20年来，SRM的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱动系统，研究的历史还较短，其技术涉及电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，加之其复杂的非线性特性，导致研究的困难性。在电机理论、性能分析和设计等方面都还不够成熟、完善，存在大量的工作需进一步研究，如铁心损耗、转矩波动和噪声的理论研究，SRM磁场的二维有限元分析，电机优化设计及控制参数的优化，电机测试，无位置传感器控制技术，新结构SRM的开发等。