開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈特性檢測(cè)方法綜述＊

王松勝，張海華，劉思偉

（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控參數(shù)多、調(diào)速性能好、運(yùn)行可靠的新型機(jī)電一體化調(diào)速電機(jī)，適合用在電動(dòng)汽車、輪船和飛機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置上。SRM具有雙凸極結(jié)構(gòu)且采用脈沖供電方式，使得其磁場(chǎng)具有嚴(yán)重的非線性，難以用解析式準(zhǔn)確表達(dá)。SRM的電磁特性描述直接影響到電機(jī)的分析、設(shè)計(jì)與應(yīng)用，獲取SRM準(zhǔn)確的磁鏈特性和轉(zhuǎn)矩特性，是實(shí)現(xiàn)SRM準(zhǔn)確建模及高性能控制的重要依據(jù)。因此，磁鏈特性檢測(cè)就成了至關(guān)重要的一步。

1 基本原理

開關(guān)磁阻電機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)，其定轉(zhuǎn)子采用普通硅鋼片疊壓而成，定子極采用集中繞組，轉(zhuǎn)子極無(wú)繞組和永久磁體，因此電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和控制電路簡(jiǎn)單，大大降低了制造成本[1]。為了保證磁路與力學(xué)的對(duì)稱性，其定轉(zhuǎn)子必須為偶數(shù)個(gè)。

應(yīng)用較多的有以下幾種：12/8極、10/8極、8/6極、6/4極等。以12/8極的開關(guān)磁阻電機(jī)為例，圖1為開關(guān)磁阻電機(jī)本體的橫切面示意圖。

SRM轉(zhuǎn)矩是由磁路根據(jù)“最小磁通原理”選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，以圖1中定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置為起始位置，若按照B→A→C相的順序依次通電，轉(zhuǎn)子會(huì)逆著勵(lì)磁順序沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；與此相反，若按照C→B→A相的順序依次通電，轉(zhuǎn)子則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。一般來(lái)講，電機(jī)的轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)同繞組數(shù)和電機(jī)運(yùn)行特性、電機(jī)本體和控制器設(shè)計(jì)成本之間是矛盾的，通過增加相數(shù)和極數(shù)可以有效提高功率密度，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高運(yùn)行平穩(wěn)度并且降低噪聲，但是與此同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)和制造成本。除此之外，電機(jī)相數(shù)的增加對(duì)控制電路及控制程序的要求更高，使其更加復(fù)雜。同時(shí)，由于三相以下的SRM無(wú)自啟動(dòng)能力，所以綜合各方面因素考慮，應(yīng)用較多的是三相或四相結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)。

2 磁鏈特性檢測(cè)方法

開關(guān)磁阻電機(jī)的磁鏈特性檢測(cè)是電機(jī)特性研究中的重要一環(huán)，獲取準(zhǔn)確的SRM磁鏈特性與轉(zhuǎn)矩特性，可以對(duì)電機(jī)本體進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)SRM無(wú)位置傳感器控制，同時(shí)還可以用于改善控制系統(tǒng)性能，因此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)其投入了大量的精力進(jìn)行研究。在線磁鏈檢測(cè)法以Lyons提出的磁鏈/電流法為基礎(chǔ)，通過在線測(cè)量，進(jìn)而獲得無(wú)位置控制的磁鏈/電流法所需的磁鏈曲線，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)無(wú)位置傳感器的控制。通常，獲取磁鏈特性和轉(zhuǎn)矩特性的方法有2種，即利用有限元分析方法計(jì)算電磁特性和通過實(shí)驗(yàn)對(duì)電磁特性進(jìn)行測(cè)量。前者主要分為二維有限元分析法和三維有限元分析法，其中，二維有限元分析法會(huì)在定轉(zhuǎn)子凸極不對(duì)稱位置產(chǎn)生相對(duì)誤差大、精度低的測(cè)量結(jié)果；三維有限元法相比于二維有限元法精度更高，但計(jì)算更耗時(shí)、煩瑣。由于有限元分析法具有局限性，實(shí)驗(yàn)測(cè)量法成為磁鏈特性檢測(cè)的主要方法。磁鏈特性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)包括直接測(cè)量和間接測(cè)量2種。很少用此方法。間接磁鏈測(cè)量法是將測(cè)量到的相繞組電壓和電流代入特定的公式計(jì)算得到磁鏈特性[2]。該方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)精度高，因而受到各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的重視。由于SRM一相繞組的線圈之間為正向串聯(lián)，其互感很小，因此可以將其忽略，并且假設(shè)電機(jī)各項(xiàng)繞組參數(shù)對(duì)稱，各相繞組之間電磁特性沒有差異，所以只需要檢測(cè)其中一相的磁鏈特性。磁鏈計(jì)算方法有模擬法和數(shù)值法2種，模擬法是通過模擬電路對(duì)相電壓和相電流進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，而后通過硬件積分器得到磁鏈值，但運(yùn)算精度容易受運(yùn)算放大器特性、硬件積分器精度以及電磁場(chǎng)等因素的影響，測(cè)量誤差大。后者通過測(cè)量相電壓和相電流得到離散的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)軟件通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算各個(gè)電流值對(duì)應(yīng)的磁鏈值，并對(duì)其進(jìn)行擬合。該方法相較于前者測(cè)量精度更高，誤差更小，并且可以將測(cè)量到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期保存，為后期的數(shù)據(jù)分析提供幫助。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁鏈特性做了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和研究，Virendra Kumar Sharma對(duì)幾種測(cè)量方法進(jìn)行了比較并總結(jié)了其優(yōu)缺點(diǎn)，其中包括高頻疊加法、數(shù)值積分估計(jì)繞組磁鏈法和磁鏈直接與間接檢測(cè)法等。有的文獻(xiàn)將Labview和DSP單片機(jī)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)和開發(fā)了電機(jī)磁鏈特性測(cè)量分析系統(tǒng)，通過DSP對(duì)電機(jī)的相電壓和相電流進(jìn)行采集，然后采用VB程序通過MSComm控件與DSP通訊，將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，最后在Labview上編輯界面顯示并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。除此之外，也有文獻(xiàn)提出了一種基于輔助測(cè)量繞組和模擬積分器的SRM磁鏈測(cè)量方法，可以將繞組磁鏈信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái)，但缺點(diǎn)是需要在其中一個(gè)定子磁極上面繞一個(gè)與電機(jī)繞組耦合的用于輔助檢測(cè)的繞組，并且可以通過調(diào)整其匝數(shù)來(lái)對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，明顯會(huì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行多次拆解，不僅加重了人工負(fù)擔(dān)，還增加了電機(jī)的制造成本。隨著人工智能理論的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的人工智能理論被應(yīng)用到開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈特性中，其中包括小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混沌變異粒子群、支持向量機(jī)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法。

［1］ 吳建華.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］ Song S，Zhang M，Ge L.A New Fast Method for Obtaining Flux-Linkage Characteristics of SRM［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（7）：4105-4117.