1.2 雙凸極電機發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

1.2.1 開關(guān)磁阻電機的歷史沿革

開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、調(diào)速范圍寬、可容錯運行等特點[9]，在工業(yè)驅(qū)動中具有較大的應(yīng)用潛力。SRM的雛形出現(xiàn)于第一次工業(yè)革命時期的英國。1842年英國的Aberdeen和Davidson用兩個U形電磁鐵制造了蓄電池，用它給電動車供電，其工作原理與現(xiàn)在的SRM很相似。由于當時功率半導(dǎo)體器件還沒有出現(xiàn)，只能采用機械開關(guān)的方式對蓄電池進行控制，因此這一發(fā)明在應(yīng)用便捷性和性能方面存在很大問題，在功率半導(dǎo)體開關(guān)器件出現(xiàn)前并沒有得到重視。20世紀60年代，大功率晶閘管開始在工業(yè)中應(yīng)用，采用功率開關(guān)器件作為驅(qū)動的SRM在易用性和可靠性方面得到了較大提升，迎來了其第一個高速發(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開關(guān)性，即電機通過連續(xù)的開關(guān)動作進行連續(xù)運轉(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。1974年，福特汽車公司研發(fā)出最早的SRM控制器，開啟了SRM的工程應(yīng)用。1980年，英國利茲大學(xué)的Lawrenson等發(fā)表論文[10]，系統(tǒng)地闡述了SRM的原理及設(shè)計特點，引發(fā)了SRM的研究熱潮。英國TASC Drives公司是世界上第一家生產(chǎn)SRM及其驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品的公司，于1983年推出了第一臺商品化SRM傳動系統(tǒng)（7.5kW，1500r/min）。SRM鮮明的特點引起了大批學(xué)者的研究興趣，日本、英國、美國、中國等國家都開展了相應(yīng)的研究工作。

理論研究和實際應(yīng)用表明，由于SRM采用了獨特的結(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機相媲美，甚至還略占優(yōu)勢，更可貴的是在整個調(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與異步電動機做了詳細的比較，結(jié)論表明，SRM在效率、單位體積出力等方面均是優(yōu)勝者。各國學(xué)者將SRM調(diào)速系統(tǒng)與各類調(diào)速系統(tǒng)進行了系統(tǒng)比較，結(jié)果表明，SRM調(diào)速系統(tǒng)具有極強的競爭力。經(jīng)過多年的發(fā)展，SRM的研究工作已經(jīng)取得了很大進展，其產(chǎn)品在電動汽車、風力發(fā)電、資源開采、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100000r/min。

從20世紀70年代末開始，隨著現(xiàn)代功率電子技術(shù)、計算機技術(shù)等高速發(fā)展，也促進了SRM的迅速發(fā)展。歐美等經(jīng)濟發(fā)達國家對SRM驅(qū)動系統(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)動產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通、航空和國防等領(lǐng)域。圖1.1為比利時公司研制的裝有SRM驅(qū)動系統(tǒng)的公交汽車，其動力是由兩臺12/8極SRM和一臺柴油發(fā)動機提供的，這種設(shè)計無需齒輪傳動機構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)可與車輪直接耦合。與傳統(tǒng)柴油動力公交汽車相比，這種架構(gòu)設(shè)計使得動力系統(tǒng)可在較寬的負載范圍內(nèi)獲得較高的效率，同時可節(jié)省燃料30%，減少二氧化碳排放25%～40%。圖1.2為英國威爾公司生產(chǎn)的SRM驅(qū)動水泵，該水泵可在任意工況下實現(xiàn)頻繁快速起停操作，與傳統(tǒng)驅(qū)動方案相比節(jié)省空間60%。其獨特的設(shè)計消除了齒輪箱、連接器、軟起動器和控制閥等多種部件，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

從1984年開始，我國許多單位先后開展了SRM的研究工作，如北京紡織機械研究所（即中國紡織總會紡織機電研究所）、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“七五”科研規(guī)劃項目。在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國SRM的研究進展很快，對電機的控制、仿真、設(shè)計理論和電磁場數(shù)值分析等都做了許多工作，在國際、國內(nèi)刊物和會議上發(fā)表了許多篇論文。1988年11月在南京航空航天大學(xué)召開了首屆SRM研討會。1991年9月，在華中理工大學(xué)召開了第二屆SRM研討會。參加人員來自全國高校、研究所和工廠等25個單位，大會上成果交流表明，我國SRM的理論研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了較大的進展，參加研制的單位有了顯著的增加。1993年12月，北京開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用研討會上，在中國電工技術(shù)學(xué)會中小型電機專業(yè)委員會領(lǐng)導(dǎo)下，正式成立了SRM學(xué)組。多年來，我國已研制了50W～30kW、20多個規(guī)格的工業(yè)產(chǎn)品樣機，在紡織機械、毛巾印花機、貝寧格-澤爾漿紗機、多功能蒸煮聯(lián)合機以及輕型龍門刨床和食品加工機械等方面的應(yīng)用中取得了良好的效果。但應(yīng)該看到，目前我國SRM的理論研究和實際應(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)，在各相繞組換相過程中，繞組突然關(guān)斷導(dǎo)致相電流變化率較大，磁場迅速變化，從而導(dǎo)致電機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)矩脈動相較于傳統(tǒng)的永磁交、直流電機和異步電機都要高，由徑向磁吸力和轉(zhuǎn)矩脈動帶來的振動和噪聲，已成為阻礙SRM應(yīng)用及發(fā)展的一個重要問題。為此，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者針對SRM的振動和噪聲抑制問題開展了大量的研究工作。

對于SRM減振主要從電機振動機理出發(fā)，一類是采用控制電路，使電機換相過程變得緩慢，最大限度地降低關(guān)斷過程中電磁力變化率的最大值，或者控制徑向電磁力來減小振動。另一類從電機的本體結(jié)構(gòu)入手，重點集中在提高電機低階固有頻率，改變電機電磁場的走勢，使得結(jié)構(gòu)改變對徑向電磁力的影響程度高于切向電磁力，達到削減徑向電磁力的目的。

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

從電機的本體結(jié)構(gòu)出發(fā)進行減振，是目前通用性比較好的方式之一，Sun J和Zhan Q等對電機定子外殼的形態(tài)進行研究，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的固有頻率，具有很好的減振效果[13]。參考文獻[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)電機具有很好的減振效果。參考文獻[16]考慮了電機的極對數(shù)對電機電磁力的分配的影響，得出適當增加電機極對數(shù)有利于降低徑向電磁力的合力，但會增加制造成本。張鑫、王秀和等對轉(zhuǎn)子側(cè)開槽后電機徑向電磁力進行分析計算，得出該方法對徑向電磁力具有一定抑制作用，但會對電機的轉(zhuǎn)矩輸出有一定的影響[17,18]。參考文獻[19]分析了繞組和端蓋對固有頻率的影響。參考文獻[20]在此前轉(zhuǎn)子加窗的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化設(shè)計，采用有限元分析的方法對定子開窗進行了設(shè)計，轉(zhuǎn)子開窗、定子開窗與傳統(tǒng)的電機相比減小了徑向電磁力，但同時減小了輸出轉(zhuǎn)矩。上述從電機本體結(jié)構(gòu)進行的減振研究也會不同程度地影響輸出轉(zhuǎn)矩。

近20年來，SRM的研究在國內(nèi)外取得了很大的發(fā)展，但作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，研究的歷史還較短，其技術(shù)涉及電機學(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。在電機理論、性能分析和設(shè)計等方面都還不夠成熟、完善，存在大量的工作需進一步研究，如鐵心損耗、轉(zhuǎn)矩波動和噪聲的理論研究，SRM磁場的二維有限元分析，電機優(yōu)化設(shè)計及控制參數(shù)的優(yōu)化，電機測試，無位置傳感器控制技術(shù)，新結(jié)構(gòu)SRM的開發(fā)等。