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

1、在我國加速轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式的背景下，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)電動機(jī)的用電量占全國工業(yè)用電量的2/3，發(fā)展高效電機(jī)是目前國家中小型電機(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作為工業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)，然而幾十年來振動、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動一直制約著開關(guān)磁阻電機(jī)在我國的應(yīng)用和推廣。
　　開關(guān)磁阻電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)前極具競爭力的一種調(diào)速電動機(jī)，在我國已

2、成功地應(yīng)用于電動車驅(qū)動、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、振動以及轉(zhuǎn)矩脈動比永磁電機(jī)和異步電機(jī)都要高，如何降低噪聲和振動一直以來都是開關(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、改進(jìn)的磁路解析計算、新型的高精度位置檢測裝置設(shè)計、電機(jī)控制策略設(shè)計、以及電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計等方面入手，系統(tǒng)的提出抑制電機(jī)振動和轉(zhuǎn)矩脈動的設(shè)計方案，具有一定的工程意義和理論價值。
　　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)的振動和轉(zhuǎn)矩脈動抑制的方法、基于磁場分割法的電機(jī)磁路分析以及開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測方法這三個領(lǐng)域，其中著

4、重介紹了抑制電機(jī)振動的電機(jī)本體設(shè)計方法和削弱轉(zhuǎn)矩脈動的控制策略。
　　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)的開槽對電機(jī)性能沒有影響，兩側(cè)開槽時正轉(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關(guān)鍵尺寸對轉(zhuǎn)矩脈動、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)通的初期對振動抑制的效果最好，但隨著定子和轉(zhuǎn)子齒中心線夾角的減小，對振動抑制的水平降低。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)計算，這種方法比傳統(tǒng)的基于圓弧的磁場分割法精度更高，比基于橢圓弧的磁場分割法的計算過程更簡潔。將定子與轉(zhuǎn)子的相對位置劃分為三個區(qū)間，應(yīng)用改進(jìn)的磁場分割法分別計算了三個區(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算了徑向力波的抑制程度。這種方法沒有計算具體的轉(zhuǎn)

7、子表面徑向力波數(shù)值，而是計算了徑向力的波削弱程度，這個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，只需要計算氣隙形狀改變帶來的氣隙磁導(dǎo)的變化。對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)行振動抑制的設(shè)計，都可以采用這個思路進(jìn)行磁路驗算，可以大大提高優(yōu)化設(shè)計的效率，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)的振動對比測試，轉(zhuǎn)子開槽樣機(jī)的振動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，實測的徑向力波抑制百分比與解析計算的結(jié)果接近，表明本章提出的方法是有效、準(zhǔn)確的。試驗同時驗證了第二章提出的通過轉(zhuǎn)子開槽抑制電機(jī)振動的方法。
　　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，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測裝置，

9、可為旋轉(zhuǎn)變壓器提供勵磁信號，還可以輸出最大16384脈沖/周的增量式編碼器位置信號和模擬光電開關(guān)的位置信號，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轉(zhuǎn)矩的映射函數(shù)，通過控制電流實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)矩控制，可以降低轉(zhuǎn)矩脈動。這種方