開關(guān)磁阻電機(jī)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究.pdf

1、在我國(guó)加速轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的背景下，節(jié)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用成為工業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。工業(yè)電動(dòng)機(jī)的用電量占全國(guó)工業(yè)用電量的2/3，發(fā)展高效電機(jī)是目前國(guó)家中小型電機(jī)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)，開關(guān)磁阻電機(jī)作為高效調(diào)速節(jié)能電機(jī)從九十年代就開始在我國(guó)作為工業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)，然而幾十年來振動(dòng)、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一直制約著開關(guān)磁阻電機(jī)在我國(guó)的應(yīng)用和推廣。
　　開關(guān)磁阻電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)前極具競(jìng)爭(zhēng)力的一種調(diào)速電動(dòng)機(jī)，在我國(guó)已

2、成功地應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、油田煤炭機(jī)械、鍛壓機(jī)械、家用電器和紡織機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。由于轉(zhuǎn)子上沒有永磁體或繞組，開關(guān)磁阻電機(jī)具有較高的可靠性，適合應(yīng)用于很多惡劣的環(huán)境或場(chǎng)合。在性能方面，開關(guān)磁阻電機(jī)具有頻繁正反轉(zhuǎn)、調(diào)速性能好、過載能力強(qiáng)、在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)效率高等優(yōu)點(diǎn)。然而由于其雙凸極結(jié)構(gòu)、控制特點(diǎn)以及磁路飽和和非線性的影響，開關(guān)磁阻電機(jī)的噪聲、振動(dòng)以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比永磁電機(jī)和異步電機(jī)都要高，如何降低噪聲和振動(dòng)一直以來都是開關(guān)磁阻電機(jī)領(lǐng)域研究的熱

3、點(diǎn)。本文分別從開關(guān)磁阻電機(jī)的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)的磁路解析計(jì)算、新型的高精度位置檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)、電機(jī)控制策略設(shè)計(jì)、以及電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面入手，系統(tǒng)的提出抑制電機(jī)振動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，具有一定的工程意義和理論價(jià)值。
　　本文第一章首先闡述了本課題的研究目的和意義，然后介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，主要包括開關(guān)磁阻電機(jī)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的方法、基于磁場(chǎng)分割法的電機(jī)磁路分析以及開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法這三個(gè)領(lǐng)域，其中著

4、重介紹了抑制電機(jī)振動(dòng)的電機(jī)本體設(shè)計(jì)方法和削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制策略。
　　在第二章中提出一種在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開槽的方法，通過改變轉(zhuǎn)子齒形來改變轉(zhuǎn)子表面氣隙磁密的方向，減小氣隙徑向磁密，同時(shí)增大切向磁密。由麥克斯韋張量法可知，電機(jī)的徑向力波可以得到有效抑制，達(dá)到減小電磁振動(dòng)的目的。隨后比較了轉(zhuǎn)子齒單側(cè)開槽、兩側(cè)開槽和極靴型轉(zhuǎn)子三種開槽方式，通過有限元分析可知背離旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)的開槽對(duì)電機(jī)性能沒有影響，兩側(cè)開槽時(shí)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)可以獲得相同效果，極靴

5、型轉(zhuǎn)子齒的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)稍大，但是三種開槽方式的徑向力波峰值相同。本章中研究了開槽寬度、開槽深度和齒頂高度這三個(gè)關(guān)鍵尺寸對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、徑向力波和平均轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，通過有限元分析獲得樣機(jī)的最優(yōu)開槽尺寸。計(jì)算了相導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)的徑向力波削弱百分比，在相導(dǎo)通的初期對(duì)振動(dòng)抑制的效果最好，但隨著定子和轉(zhuǎn)子齒中心線夾角的減小，對(duì)振動(dòng)抑制的水平降低。這種在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開槽的方法改造和制造成本都較低，具有良好的工程意義。
　　在第三章提出了一種基于拋物線弧的

6、改進(jìn)的磁場(chǎng)分割法，用于復(fù)雜定、轉(zhuǎn)子形狀的開關(guān)磁阻電機(jī)氣隙磁導(dǎo)計(jì)算，這種方法比傳統(tǒng)的基于圓弧的磁場(chǎng)分割法精度更高，比基于橢圓弧的磁場(chǎng)分割法的計(jì)算過程更簡(jiǎn)潔。將定子與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置劃分為三個(gè)區(qū)間，應(yīng)用改進(jìn)的磁場(chǎng)分割法分別計(jì)算了三個(gè)區(qū)間里普通轉(zhuǎn)子和開槽轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的氣隙磁導(dǎo)和氣隙磁密。本章還提出了一種開關(guān)磁阻電機(jī)徑向力波抑制百分比的解析計(jì)算方法，通過麥克斯韋張量法的表面力波方程以比值的方式計(jì)算了徑向力波的抑制程度。這種方法沒有計(jì)算具體的轉(zhuǎn)

7、子表面徑向力波數(shù)值，而是計(jì)算了徑向力的波削弱程度，這個(gè)過程中不需要考慮電流、電感、磁鏈等非線性很強(qiáng)的、很難采集的變量，只需要計(jì)算氣隙形狀改變帶來的氣隙磁導(dǎo)的變化。對(duì)于其他類型的雙凸極電機(jī)或通過改變定轉(zhuǎn)子齒形進(jìn)行振動(dòng)抑制的設(shè)計(jì)，都可以采用這個(gè)思路進(jìn)行磁路驗(yàn)算，可以大大提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，有較強(qiáng)的通用性。隨后將橢圓磁路法和拋物線磁路法計(jì)算的徑向力波抑制百分比與有限元分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由于沒有考慮飽和、漏磁等因素的影響，磁路法獲得的結(jié)果比有

8、限元法整體偏大，拋物線弧的磁路計(jì)算結(jié)果更接近有限元分析。本章最后進(jìn)行了轉(zhuǎn)子開槽樣機(jī)（開槽參數(shù)由第二章確定）和普通樣機(jī)的振動(dòng)對(duì)比測(cè)試，轉(zhuǎn)子開槽樣機(jī)的振動(dòng)加速度明顯小于普通樣機(jī)，但是電機(jī)效率有略微的下降，實(shí)測(cè)的徑向力波抑制百分比與解析計(jì)算的結(jié)果接近，表明本章提出的方法是有效、準(zhǔn)確的。試驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證了第二章提出的通過轉(zhuǎn)子開槽抑制電機(jī)振動(dòng)的方法。
　　第四章中使用磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行開關(guān)磁阻電機(jī)的位置檢測(cè)，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測(cè)裝置，

9、可為旋轉(zhuǎn)變壓器提供勵(lì)磁信號(hào)，還可以輸出最大16384脈沖/周的增量式編碼器位置信號(hào)和模擬光電開關(guān)的位置信號(hào)，能夠提高開關(guān)磁阻電機(jī)的控制精度，可滿足高精度伺服控制的要求。
　　在第五章中提出一種基于電流追蹤的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制的新方法，將電機(jī)模型的轉(zhuǎn)矩-位置角平面的曲線，通過曲線擬合的數(shù)值分析方法構(gòu)建不同電流下的轉(zhuǎn)矩曲線族表達(dá)式，得到電機(jī)的斬波限流值和瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的映射函數(shù)，通過控制電流實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制，可以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這種方