Chapter 1
第1章 導論

1.1 雙凸極電機研究背景與意義

雙凸極電機通常指定/轉子均為凸極結構的電機，這類電機原理上均利用或涉及其凸極效應引起的磁阻特性來產生電磁轉矩，因此雙凸極電機都隸屬于磁阻類電機[1]。其中最為典型的是開關磁阻電機（Switch Reluctance Motor, SRM），電樞繞組電流一方面提供氣隙基礎勵磁磁場，另一方面用于產生有效的電磁轉矩。SRM于1838年由蘇格蘭學者Davidson提出，但由于當時電力電子器件發展落后，所提的驅動系統可靠性低且效率低下。20世紀60年代后，伴隨著電力電子器件的高速發展，特別是晶閘管器件的使用，SRM開始發展。1980年，英國學者P.J.Lawrenson及其同事在國際電機會議上系統地介紹了SRM的運行原理以及設計特點，得到了國內外專家的認可并奠定了現代SRM的國際地位[2]。

雙凸極電機在定/轉子結構上與SRM相似，不同的是雙凸極電機定子上裝有永磁體或勵磁繞組，因此雙凸極電機系統兼具了交、直流兩類電機驅動系統的調速性能優勢。雙凸極電機繼承了SRM定/轉子結構的特點，相比于傳統的交流電機和直流電機，雙凸極電機具有以下優點[3]：

1）結構簡單、制造成本低。轉子上不存在任何繞組，可有效避免轉子加工難以及運行過程中斷條等問題。同時，高機械強度的轉子結構有助于電機運行于超高速場合。

2）驅動電路簡單可靠。其驅動轉矩與各相繞組導通順序有關，可以實現單向電流驅動，根據這一特點，用于驅動系統的變換器有多種拓撲結構，針對特定的系統可以做出最優的設計方案，實現最佳的控制效果。

3）各相之間相互獨立工作，容錯性高。雙凸極電機每相都在一定范圍內產生驅動轉矩，當其中一相繞組或者所在的驅動電路發生故障時，電機在斷相狀況下仍然可以實現低負載運行。

4）起動轉矩大。適合需要重載起動和重載運行的應用場合，同時，電機起動電流小，起動過程中電流沖擊小，非常適合應用于一些需要頻繁起停以及正反向轉換運行的場合。

5）可控參數多，電機的控制更加靈活。比如繞組的端電壓、相電流、開通角以及關斷角等，可以針對具體的運行工況，采取不同的控制策略，最大化電機運行性能。

6）效率較高，可以在寬速度范圍和不同負載狀況下高效運行。可以在很寬的速度范圍和不同負載狀況下實現高效控制。

在SRM的基礎上，國內外學者提出了眾多SRM的拓撲結構類型電機，其中大致可以分為開關磁阻電機（SRM）、永磁雙凸極電機（Doubly Salient Permanent-Magnetic Motor, DSPM）、電勵磁雙凸極電機（Doubly Salient Electro-Magnetic Motor, DSEM）、混合勵磁雙凸極電機（Doubly Salient Hybrid Excitation Motor, DSHEM）[4,5]。

其中，DSPM利用高性能永磁體建立氣隙磁場，具有更高的轉矩密度。由于不需要單獨d軸電流建立氣隙磁場，其效率和功率因數均較高。該電機保留了與SRM相同的轉子結構，使其同樣具有結構簡單、加工制造方便、可靠性高、適合高速運行等優點。DSEM由繞勵磁繞組裝置進行勵磁，相比于用永磁體產生勵磁磁場，DSEM能夠較好地彌補勵磁磁場恒定不可調節以及無法故障滅磁的問題。通過調節勵磁繞組中的電流可實現電機氣隙磁場控制。此外，與DSPM相比，DSEM制造成本更低，可控性更好，在高溫惡劣條件下高效運行能力更強，適用于航空航天、交通等領域。DSHEM采用永磁體和直流勵磁繞組共同勵磁，兩者在氣隙中合成，調節直流勵磁電流即可調節氣隙磁場。相較于傳統的DSPM，DSHEM有著更高的空間利用率，研究結果表明，所提出的電機不僅具有更高的轉矩密度，而且具有更好的磁通調節能力。

上述優勢可使雙凸極電機成為電驅動系統動力源的優選方案。目前，雙凸極電機已經在工業領域內獲得廣泛發展，并已經應用于各種家用電器、通用工業、伺服與調速系統、牽引電機以及高轉速電機應用場合[6,7]。但其特有的雙凸極結構以及繞組供電方式使得此類電機仍存在著亟待解決的問題。

首先，雙凸極電機的結構特點以及繞組脈沖式供電方式使得每極磁動勢均是沿著定子圓周步進運行，磁路局部飽和、相電流的非線性影響，導致電機轉矩輸出波動較大，這很大程度上限制了雙凸極電機的應用領域，尤其在電動汽車等講究舒適性和平穩輸出的眾多新興行業中難以得到推廣與應用。同時，轉矩脈動也是雙凸極電機振動、噪聲較大的主要原因之一。

其次是高性能控制策略的研究，雖然雙凸極電機參數較多，但在實踐工程中實施控制卻較為復雜。磁路嚴重的非線性導致電機在運行時涉及的物理過程十分復雜，磁鏈、轉矩是相電流和轉子機械位置角的非線性函數，所以傳統控制方法很難實現雙凸極電機系統較為理想的控制效果[8]。

解決上述兩大問題，尤其是抑制轉矩脈動可進一步拓展雙凸極電機的應用范圍、提高雙凸極電機的競爭力，促進雙凸極電機調速系統的推廣與應用。因此，圍繞雙凸極電機的轉矩特性及先進控制策略展開研究，具有重要的學術意義與應用價值。