开关磁阻电机振动与转矩脉动抑制的多维度解析与策略研究

开关磁阻电机振动与转矩脉动抑制的多维度解析与策略研究一、引言1.1研究背景与意义在现代工业与日常生活中，电机作为实现电能与机械能相互转换的关键设备，其性能的优劣直接影响到各类系统的运行效率与稳定性。开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，SRM）作为一种新型的调速电机，凭借其独特的优势，在众多领域展现出了巨大的应用潜力。开关磁阻电机的结构极为简单，其定、转子均由普通硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组。这种简洁的结构使得电机的制造工艺大幅简化，成本显著降低，同时也增强了电机的坚固性和可靠性，使其能够适应如高温、强震动等各种恶劣的工作环境。例如在矿山开采、石油钻探等恶劣工况下，开关磁阻电机能够稳定运行，减少了因电机故障导致的停产损失。在调速性能方面，开关磁阻电机表现出色，调速范围宽广，能够在低速下长期稳定运行，且效率较高，有效解决了变频调速电机在低速运行时发热严重的问题。以电动汽车为例，开关磁阻电机可以根据车辆行驶的不同工况，如启动、加速、爬坡、巡航等，灵活调整转速，满足车辆对动力的需求，同时提高能源利用效率，延长车辆的续航里程。而且，开关磁阻电机的起动转矩大，适合重载起动和负载变化频繁的场合。在工业起重机、提升机等设备中，开关磁阻电机能够轻松应对重载启动的需求，确保设备的安全可靠运行。其还具有软启动特性，起动电流小，避免了对电网的冲击，这对于电网容量有限的地区或对电网稳定性要求较高的场合尤为重要。由于开关磁阻电机转矩与电流大小有关，而与电流方向无关，绕组只需单方向通电，使得功率变换器及其控制简单，成本低，可靠性高。通过对开通角、关断角及电流峰值的精确控制，开关磁阻电机可以呈现出不同的机械特性，轻松实现四象限运行，能够满足多种驱动场合的多样化需求。在电动车辆的制动过程中，开关磁阻电机可以工作在发电状态，将车辆的动能转化为电能回馈给电池，实现能量的回收利用，提高了能源利用效率。在工业自动化生产线上，开关磁阻电机能够根据生产工艺的要求，快速、准确地实现正反转和速度调节，提高了生产效率和产品质量。然而，开关磁阻电机也存在一些亟待解决的问题，其中较为突出的是振动和转矩脉动问题。开关磁阻电机采用双凸极结构以及开关形式的供电方式，这使得其在运行过程中，各相绕组产生的电磁转矩呈现出脉冲性质，导致合成转矩存在较大的脉动。当电机低速运行时，这种转矩脉动会使电机出现明显的步进状态，转速波动较大，影响设备的平稳运行。在精密加工设备中，转矩脉动会导致加工精度下降，产品质量不稳定；在电动汽车中，转矩脉动会使车辆行驶时产生顿挫感，降低乘坐的舒适性。转矩脉动还会引发电机的振动和噪声。相绕组轮流导通时产生的径向力会使定子发生变形，尤其是在换相时刻，这种变形更为明显，从而产生较大的噪声。电机的振动不仅会影响自身的使用寿命，还可能对周围的设备和环境造成不良影响。在一些对噪声要求严格的场合，如办公室、医院、图书馆等，开关磁阻电机的噪声问题限制了其应用。在一些高精度的仪器设备中，电机的振动可能会干扰仪器的正常工作，影响测量结果的准确性。振动和转矩脉动问题严重制约了开关磁阻电机在一些对运行平稳性和精度要求较高领域的应用，如精密伺服系统、高端数控机床、航空航天等领域。因此，深入研究开关磁阻电机的振动和转矩脉动抑制方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，研究振动和转矩脉动抑制方法有助于进一步揭示开关磁阻电机的运行机理和电磁特性，丰富电机控制理论。通过对电机电磁转矩的精确分析和建模，可以深入了解转矩脉动产生的根源，为提出有效的抑制策略提供理论依据。从实际应用角度出发，有效抑制振动和转矩脉动能够拓宽开关磁阻电机的应用领域，提高其市场竞争力。使开关磁阻电机能够满足更多高端领域的需求，推动相关产业的发展。在新能源汽车领域，降低开关磁阻电机的转矩脉动和振动，可以提高车辆的性能和品质，促进新能源汽车的普及和发展；在工业自动化领域，应用低振动、低转矩脉动的开关磁阻电机，可以提高生产设备的精度和稳定性，提升生产效率和产品质量。1.2国内外研究现状开关磁阻电机的振动和转矩脉动问题一直是国内外学者研究的重点，多年来，众多学者围绕该问题展开了广泛而深入的研究，取得了一系列有价值的成果。在国外，相关研究起步较早。早期的研究主要集中在对开关磁阻电机运行原理和基本特性的探索上，为后续的振动和转矩脉动抑制研究奠定了理论基础。随着电力电子技术、控制理论和计算机技术的不断发展，国外学者提出了多种抑制开关磁阻电机振动和转矩脉动的方法。在控制策略方面，直接转矩控制（DTC）是一种常用的方法。通过对转矩和磁链的直接控制，能够快速响应电机的运行状态变化。[国外文献1]中，研究人员通过优化直接转矩控制中的开关表，根据电机的实时状态选择最优的电压矢量，有效减少了转矩脉动。但这种方法在低速时，由于磁链观测的误差和开关频率的限制，转矩脉动的抑制效果仍有待提高。模型预测控制（MPC）也受到了广泛关注，[国外文献2]提出了基于模型预测控制的开关磁阻电机转矩脉动抑制策略，该方法通过建立电机的预测模型，预测不同控制动作下的电机响应，然后选择最优的控制策略，能够在一定程度上提高电机的控制性能和动态响应速度，但计算量较大，对硬件要求较高。在电机本体设计方面，国外学者通过改进电机的结构参数来降低振动和转矩脉动。例如，[国外文献3]研究了不同的定转子极数组合对电机性能的影响，发现合理选择极数可以减少转矩脉动。[国外文献4]则通过优化电机的齿槽形状和尺寸，改善了电机的磁场分布，从而降低了径向力和转矩脉动。国内对开关磁阻电机振动和转矩脉动抑制的研究虽然起步相对较晚，但发展迅速。在控制策略方面，国内学者在借鉴国外研究成果的基础上，进行了创新和改进。文献[国内文献1]提出了一种基于模糊控制的直接转矩控制方法，将模糊控制与直接转矩控制相结合，通过模糊控制器对直接转矩控制中的转矩滞环宽度和磁链滞环宽度进行自适应调整，有效提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力，进一步减小了转矩脉动。文献[国内文献2]研究了神经网络在开关磁阻电机转矩脉动抑制中的应用，利用神经网络强大的非线性映射能力，对电机的转矩进行精确预测和控制，取得了较好的效果。在电机本体设计方面，国内学者也进行了大量的研究工作。文献[国内文献3]通过有限元分析软件对电机的磁场进行仿真分析，深入研究了电机的电磁特性，为电机的结构优化设计提供了依据。文献[国内文献4]提出了一种新型的开关磁阻电机结构，通过增加辅助齿和优化绕组布局，有效降低了电机的振动和噪声。尽管国内外在开关磁阻电机振动和转矩脉动抑制方面取得了丰硕的成果，但仍存在一些不足之处。部分控制策略虽然在理论上能够有效抑制转矩脉动，但在实际应用中，由于受到电机参数变化、外部干扰等因素的影响，控制效果会有所下降。电机本体设计的改进往往会增加电机的制造成本和复杂度，限制了其在一些对成本敏感的领域的应用。目前的研究大多集中在单一的抑制方法上，综合多种方法的研究相对较少，如何将不同的抑制方法有机结合，形成更加有效的综合抑制策略，还有待进一步探索。在未来的研究中，可以进一步深入研究开关磁阻电机的非线性特性，建立更加精确的电机模型，为控制策略的优化提供更坚实的理论基础。加强对多物理场耦合的研究，考虑电机运行过程中的电磁、热、机械等多方面因素的相互影响，从更全面的角度解决振动和转矩脉动问题。还可以探索新的材料和制造工艺，在不增加成本的前提下，进一步优化电机的结构和性能，提高开关磁阻电机的竞争力。1.3研究内容与方法本文主要从开关磁阻电机的结构优化、控制策略改进以及实验验证等方面展开研究，旨在提出有效的振动和转矩脉动抑制方法，具体内容如下：开关磁阻电机结构优化研究：深入分析开关磁阻电机的结构特点，运用电磁场理论和有限元分析方法，研究定转子极数组合、齿槽形状和尺寸、绕组布局等结构参数对电机电磁特性和转矩脉动的影响规律。通过建立电机的三维模型，进行仿真分析，优化电机结构参数，降低电机的径向力和转矩脉动。探索新型的电机结构，如采用不等齿宽、斜槽、辅助齿等结构形式，改善电机的磁场分布，减少电磁力的波动，从而降低电机的振动和噪声。开关磁阻电机控制策略研究：研究传统的开关磁阻电机控制策略，如电流斩波控制（CCC）、角度位置控制（APC）、直接转矩控制（DTC）等，分析其在抑制转矩脉动方面的优缺点。针对传统控制策略的不足，提出改进的控制策略。将智能控制算法，如模糊控制、神经网络控制等与传统控制策略相结合，实现对开关磁阻电机的自适应控制，提高控制性能和鲁棒性。研究多相开关磁阻电机的协同控制策略，优化各相绕组的导通顺序和导通时间，使各相电磁转矩相互补偿，减小合成转矩的脉动。实验验证与分析：搭建开关磁阻电机实验平台，包括电机本体、功率变换器、控制器、传感器等部分。采用优化后的电机结构和改进的控制策略，进行实验研究，测量电机的转矩、转速、电流、振动等参数。将实验结果与仿真结果进行对比分析，验证所提出的振动和转矩脉动抑制方法的有效性和可行性。对实验过程中出现的问题进行深入分析，进一步优化电机结构和控制策略，提高电机的性能。本文采用理论分析、仿真与实验相结合的研究方法：理论分析：运用电机学、电磁学、控制理论等相关知识，对开关磁阻电机的运行原理、电磁特性、转矩脉动产生机理等进行深入分析，为后续的研究提供理论基础。通过建立数学模型，推导电机的电磁转矩、电感、磁链等参数的计算公式，分析各参数之间的关系，揭示转矩脉动的本质原因。仿真研究：利用专业的电磁仿真软件，如ANSYSMaxwell、JMAG等，建立开关磁阻电机的模型，进行电磁场仿真分析。通过仿真，可以直观地观察电机内部的磁场分布、电磁力的大小和方向，分析不同结构参数和控制策略对电机性能的影响，为电机的优化设计和控制策略的改进提供依据。在MATLAB/Simulink等仿真平台上，搭建开关磁阻电机控制系统的仿真模型，对各种控制策略进行仿真研究，对比分析不同控制策略下电机的转矩脉动、转速波动等性能指标，筛选出最优的控制策略。实验研究：搭建开关磁阻电机实验平台，进行实验研究。通过实验，测量电机的实际运行参数，验证理论分析和仿真结果的正确性。对实验结果进行分析，总结规律，发现问题，进一步优化电机结构和控制策略，提高电机的性能。二、开关磁阻电机的工作原理与特性2.1基本结构与运行原理开关磁阻电机主要由定子和转子两大部分构成，定、转子均采用普通硅钢片叠压制成，这种材料具有良好的导磁性能，能够有效降低电机运行过程中的磁滞损耗和涡流损耗，提高电机的效率。其独特的双凸极结构是区别于其他电机的重要特征，即定子和转子上均设有凸极，且转子上既无绕组也无永磁体，这使得电机的结构更为简单、坚固，降低了制造难度和成本，同时也提高了电机的可靠性和适应恶劣环境的能力。定子上均匀分布着一定数量的凸极，每个凸极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联在一起，构成一相绕组。根据实际应用需求，开关磁阻电机可以设计成不同的相数，常见的有三相、四相和五相。相数的选择会对电机的性能产生重要影响，相数越多，步距角越小，电机运行的平稳性越好，但同时也会增加电机的结构复杂度和成本。在三相开关磁阻电机中，常见的定转子极数组合有6/4结构和12/8结构；四相开关磁阻电机多采用8/6结构。不同的极数组合会导致电机的电感特性、转矩特性以及电磁力分布等方面存在差异，从而影响电机的整体性能。以三相6/4结构的开关磁阻电机为例，其定子有6个凸极，分为A、B、C三相，每相由两个径向相对的凸极绕组组成；转子有4个凸极。开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是倾向于沿着磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时，会产生磁场，在磁场力的作用下，转子会朝着使该相磁阻最小的方向转动，也就是使转子凸极轴线与定子通电相凸极轴线重合的方向转动。假设电机初始状态下，A相绕组通电，此时定子A相凸极产生磁场，由于磁阻最小原理，转子会受到磁场力的吸引，朝着使A相磁阻最小的位置转动，即转子凸极向定子A相凸极对齐的方向转动。当转子转动到A相磁阻最小位置时，A相绕组断电，B相绕组通电，转子又会受到B相磁场力的作用，继续朝着使B相磁阻最小的方向转动。依次类推，按照A-B-C的顺序轮流通电，转子就会持续不断地旋转起来。若改变通电顺序为C-B-A，则电机的旋转方向会发生改变。由此可见，开关磁阻电机的转向仅取决于相绕组的通电顺序，而与电流方向无关，这一特性使得电机的控制更加灵活。在电机运行过程中，随着转子位置的不断变化，各相绕组的电感也会相应地发生改变。电感的变化与电机的电磁转矩密切相关，电磁转矩的表达式为：T=\frac{1}{2}i^{2}\frac{dL}{d\theta}其中，T表示电磁转矩，i为绕组电流，L是电感，\theta是转子位置角。从该公式可以看出，电磁转矩不仅与绕组电流的平方成正比，还与电感随转子位置角的变化率有关。当电感随转子位置角的变化率较大时，在相同的电流条件下，电机能够产生更大的电磁转矩。这就意味着通过合理设计电机的结构参数，优化电感随转子位置的变化规律，可以有效提高电机的转矩性能。开关磁阻电机的运行过程涉及到复杂的电磁转换和机械运动，其性能受到电机结构参数、绕组通电方式以及控制策略等多种因素的综合影响。深入理解这些因素之间的相互关系，对于优化电机设计、提高电机性能以及抑制振动和转矩脉动具有重要的理论指导意义。2.2电磁特性分析开关磁阻电机的电磁特性是研究其运行性能和转矩脉动的关键，深入剖析磁链、电感与电磁转矩特性及其与转子位置和相电流的非线性关系，对于揭示电机运行机理、优化电机设计和控制策略具有重要意义。2.2.1磁链特性磁链是描述电机磁场的重要物理量，它反映了绕组与磁场之间的耦合程度。在开关磁阻电机中，磁链不仅与绕组电流有关，还与转子位置密切相关，呈现出高度的非线性特性。对于某一相绕组，其磁链\psi可以表示为：\psi=L(i,\theta)i其中，L(i,\theta)为该相绕组的电感，它是电流i和转子位置角\theta的函数。由于开关磁阻电机的定转子采用双凸极结构，随着转子的转动，气隙磁导不断变化，导致电感L(i,\theta)呈现出非线性变化。当转子凸极与定子凸极逐渐接近直至对齐时，气隙磁阻逐渐减小，磁导增大，电感逐渐增大；反之，当转子凸极与定子凸极逐渐错开时，气隙磁阻增大，磁导减小，电感逐渐减小。这种电感随转子位置的变化，使得磁链也呈现出相应的非线性变化规律。在实际运行中，通过有限元分析软件对开关磁阻电机进行仿真，可以直观地观察到磁链随转子位置和相电流的变化情况。以三相12/8结构的开关磁阻电机为例，当相电流保持不变时，在一个转子旋转周期内，磁链会随着转子位置的改变而发生周期性变化。在转子凸极与定子凸极对齐位置附近，磁链达到最大值；而在转子凸极与定子凹槽对齐位置附近，磁链达到最小值。而且，随着相电流的增大，磁链的幅值也会相应增大，这表明磁链与相电流之间存在着正相关关系。磁链特性还会受到电机结构参数的影响，如定转子极数、极弧系数、气隙长度等。不同的极数组合会导致电机磁场分布的差异，从而影响磁链的变化规律；极弧系数的改变会影响气隙磁导的变化范围，进而影响磁链的大小和变化趋势；气隙长度的增加会使气隙磁阻增大，磁链幅值减小，同时也会使磁链随转子位置的变化更加平缓。2.2.2电感特性电感是开关磁阻电机的重要电磁参数之一，它对电机的电磁转矩、电流波形以及运行效率等都有着重要影响。由于电机的双凸极结构和磁路的非线性，其电感特性呈现出复杂的非线性变化，且与转子位置和相电流密切相关。电感L与磁链\psi和电流i的关系为：L=\frac{\psi}{i}结合前面磁链的表达式\psi=L(i,\theta)i，可以看出电感L实际上是一个关于电流i和转子位置角\theta的函数，即L=L(i,\theta)。在开关磁阻电机运行过程中，当转子位置发生变化时，定转子之间的气隙磁导发生改变，从而导致电感发生显著变化。在转子凸极与定子凸极对齐位置（\theta=\theta_{aligned}），气隙磁阻最小，磁导最大，此时电感达到最大值L_{max}；而在转子凸极与定子凹槽对齐位置（\theta=\theta_{unaligned}），气隙磁阻最大，磁导最小，电感达到最小值L_{min}。电感随转子位置的变化曲线呈现出明显的周期性，且在一个转子旋转周期内，电感会经历从最小值到最大值再回到最小值的变化过程。电感还与相电流大小有关。当电流较小时，磁路处于不饱和状态，电感主要由电机的几何结构和磁导率决定，此时电感随电流的变化较小；随着电流的增大，磁路逐渐饱和，磁导率下降，电感会随着电流的增大而减小。这种电感与电流的非线性关系，使得开关磁阻电机的电磁特性更加复杂。为了更深入地了解电感特性，通过有限元分析软件对不同电流和转子位置下的电感进行计算和分析。结果表明，在同一转子位置下，电感随着电流的增大而逐渐减小，且电流越大，电感下降的趋势越明显；在不同转子位置下，电感的变化范围和变化趋势也有所不同，在电感变化率较大的区域，电磁转矩对电流的变化更为敏感。电感特性对开关磁阻电机的运行性能有着重要影响。在电机控制中，准确掌握电感特性对于优化控制策略、减小转矩脉动具有重要意义。在电流斩波控制中，电感的变化会影响电流的上升和下降速度，进而影响电机的转矩输出和运行稳定性；在直接转矩控制中，电感作为重要的参数参与转矩和磁链的计算，其准确性直接影响控制效果。2.2.3电磁转矩特性电磁转矩是开关磁阻电机实现机电能量转换的关键物理量，其特性直接决定了电机的输出性能和运行稳定性。电磁转矩的产生源于电机内部磁场的相互作用，与磁链、电感以及相电流密切相关，呈现出复杂的非线性特性。开关磁阻电机的电磁转矩可以通过虚位移原理推导得出，其表达式为：T=\frac{1}{2}i^{2}\frac{dL}{d\theta}从该公式可以看出，电磁转矩T与相电流i的平方成正比，与电感对转子位置角的变化率\frac{dL}{d\theta}也成正比。当\frac{dL}{d\theta}>0时，电磁转矩为驱动转矩，电机处于电动状态；当\frac{dL}{d\theta}<0时，电磁转矩为制动转矩，电机处于发电状态。在电机运行过程中，随着转子位置的变化，电感L发生改变，从而导致\frac{dL}{d\theta}发生变化，使得电磁转矩也随之变化。在一个转子旋转周期内，电磁转矩呈现出脉冲性质，这是开关磁阻电机转矩脉动产生的主要原因之一。当转子凸极逐渐靠近定子凸极时，\frac{dL}{d\theta}逐渐增大，电磁转矩逐渐增大；当转子凸极与定子凸极对齐时，\frac{dL}{d\theta}=0，电磁转矩达到最大值；此后，随着转子凸极逐渐离开定子凸极，\frac{dL}{d\theta}逐渐减小，电磁转矩逐渐减小。电磁转矩还与相电流的大小和波形密切相关。在一定范围内，增大相电流可以增大电磁转矩，但同时也会增加电机的铜耗和铁耗，降低电机效率。而且，相电流的波形会影响电磁转矩的脉动情况，通过优化相电流波形，可以有效减小电磁转矩脉动。采用合适的控制策略，使相电流在电感变化率较大的区间内保持相对稳定，从而减小电磁转矩的波动。通过有限元分析和实验测试，可以对电磁转矩特性进行深入研究。有限元分析可以直观地展示电机内部磁场分布和电磁转矩的变化情况，通过改变电机结构参数和控制参数，分析其对电磁转矩的影响规律。实验测试则可以获取电机实际运行时的电磁转矩数据，验证理论分析和仿真结果的准确性。研究表明，不同的定转子极数组合、极弧系数、气隙长度等结构参数会对电磁转矩特性产生显著影响。合理选择定转子极数组合，可以优化电磁转矩的分布，减小转矩脉动；增大极弧系数可以提高电磁转矩的幅值，但也可能会导致转矩脉动增大；适当减小气隙长度可以提高电磁转矩，但会增加电机的制造难度和成本，同时也可能会加剧电机的振动和噪声。2.3转矩脉动与振动产生机理开关磁阻电机的转矩脉动和振动问题是限制其广泛应用的关键因素，深入剖析其产生机理对于提出有效的抑制方法至关重要。转矩脉动和振动的产生涉及电机的电磁、机械等多个方面，是多种因素相互作用的结果。2.3.1转矩脉动产生原因开关磁阻电机的转矩脉动主要源于其独特的双凸极结构、磁路饱和特性以及电流换向过程中的复杂电磁变化。双凸极结构导致的转矩脉动：开关磁阻电机的定转子采用双凸极结构，在电机运行过程中，随着转子位置的变化，定转子之间的气隙磁导呈现出非线性变化。根据电磁转矩公式T=\frac{1}{2}i^{2}\frac{dL}{d\theta}，电感L对转子位置角\theta的变化率\frac{dL}{d\theta}是影响电磁转矩的关键因素。当转子凸极与定子凸极逐渐接近直至对齐的过程中，\frac{dL}{d\theta}先增大后减小，导致电磁转矩呈现出脉冲特性。在一个转子旋转周期内，各相电磁转矩的叠加使得合成转矩存在较大的脉动。以三相开关磁阻电机为例，在某一时刻，一相电磁转矩达到峰值，而其他相的电磁转矩可能处于较小值，这种各相电磁转矩的不均衡叠加导致了合成转矩的脉动。磁路饱和引起的转矩脉动：随着相电流的增大，开关磁阻电机的磁路会逐渐进入饱和状态。磁路饱和会导致电感L不再是常数，而是随着电流和转子位置的变化呈现出更为复杂的非线性特性。当磁路饱和时，\frac{dL}{d\theta}的变化规律发生改变，使得电磁转矩与理想情况下的线性变化产生偏差，从而加剧了转矩脉动。在大电流工况下，磁路饱和程度加深，电感的非线性特性更加明显，转矩脉动也会更加严重。电流换向导致的转矩脉动：在开关磁阻电机的运行过程中，各相绕组需要依次导通和关断，以实现电机的连续旋转。在电流换向时刻，由于绕组电感的存在，电流不能瞬间突变，会出现电流重叠或断续的现象。这种电流的非理想换向会导致电磁转矩的波动，进而产生转矩脉动。在某相绕组关断时，其电流不能立即降为零，而此时下一相绕组已经开始导通，会出现两相电流同时存在的情况，这种电流重叠会使电磁转矩产生波动；当电流换向不及时，会出现电流断续，导致电磁转矩瞬间下降，也会加剧转矩脉动。2.3.2振动产生原理开关磁阻电机的振动主要由不平衡电磁力和机械结构因素共同作用产生。不平衡电磁力引发的振动：开关磁阻电机运行时，定子绕组中通以电流会产生磁场，磁场与转子相互作用产生电磁力。由于电机结构和磁场分布的不对称性，会产生不平衡的电磁力。这种不平衡电磁力会使定子受到周期性的径向力和切向力作用。径向力会使定子产生径向变形，当径向力的频率与定子的固有频率接近时，会引发共振，导致振动加剧；切向力则会使定子产生扭转振动。在开关磁阻电机中，由于各相绕组的分布和通电顺序的影响，会在定子上产生不均匀的径向电磁力，从而导致定子的振动。机械结构因素导致的振动：电机的机械结构本身也会对振动产生影响。定子和转子的制造精度、装配质量以及轴承的性能等都会影响电机的振动特性。如果定子和转子的同心度不好，会导致气隙不均匀，从而使电磁力分布不均，加剧振动；轴承的磨损或松动会使转子的旋转轴线发生偏移，产生额外的振动和噪声。电机的机座刚度不足也会导致振动的放大。当电机运行时产生的振动传递到机座上，如果机座刚度不够，机座会发生较大的变形，进一步加剧振动的传播和辐射。三、开关磁阻电机转矩脉动抑制策略3.1基于电机本体设计的优化策略3.1.1定转子结构参数优化定转子结构参数对开关磁阻电机的性能，尤其是转矩脉动有着至关重要的影响。通过合理优化这些参数，可以有效改善电机的电磁特性，降低转矩脉动。气隙长度是影响开关磁阻电机性能的关键参数之一。气隙长度的变化会直接影响电机的磁阻、电感以及电磁力的大小和分布。当气隙长度较小时，磁阻较小，磁导率较高，电机的电感较大，电磁力也相应增大，从而可以提高电机的输出转矩。然而，过小的气隙长度会导致电机的磁路饱和程度增加，使得电感的非线性特性更加明显，进而加剧转矩脉动。而且，气隙过小还会增加电机制造和装配的难度，容易出现定转子摩擦等问题，降低电机的可靠性。相反，当气隙长度较大时，磁阻增大，电感减小，电磁力减弱，虽然可以在一定程度上减小磁路饱和带来的影响，降低转矩脉动，但同时也会使电机的输出转矩降低，效率下降。存在一个最优的气隙长度值，能够在保证电机输出转矩的前提下，最大限度地减小转矩脉动。以某三相12/8结构的开关磁阻电机为例，通过有限元分析软件对不同气隙长度下的电机性能进行仿真研究。当气隙长度为0.5mm时，电机的转矩脉动较大，输出转矩也相对较小；随着气隙长度逐渐增大到0.8mm，转矩脉动明显减小，输出转矩略有下降，但仍能满足实际应用需求；当气隙长度继续增大到1.2mm时，虽然转矩脉动进一步减小，但输出转矩下降幅度较大，已不能满足实际工作要求。极弧系数也是影响开关磁阻电机转矩脉动的重要参数。极弧系数是指定子或转子极弧长度与极距的比值，它会影响电机的磁场分布和电磁力的大小。对于定子极弧系数，当极弧系数较小时，电机的磁场分布较为集中，电磁力主要作用在极弧范围内，此时转矩脉动相对较小，但由于磁场作用范围有限，电机的输出转矩也较小。随着定子极弧系数的增大，磁场分布范围扩大，电磁力作用范围也相应增大，电机的输出转矩得到提高，但同时也会导致磁场分布不均匀性增加，转矩脉动增大。转子极弧系数对转矩脉动的影响与定子极弧系数类似。当转子极弧系数较小时，电机的自起动性能较差，转矩脉动较大；适当增大转子极弧系数，可以改善电机的自起动性能，减小转矩脉动，但过大的转子极弧系数会使电机的磁路饱和程度增加，转矩脉动再次增大。在设计开关磁阻电机时，需要综合考虑定子和转子极弧系数，通过优化两者的取值，找到一个既能保证电机输出转矩，又能有效减小转矩脉动的平衡点。以某四相8/6结构的开关磁阻电机为例，当定子极弧系数为0.4，转子极弧系数为0.35时，电机的转矩脉动较小，输出转矩也能满足设计要求。轭部厚度同样会对开关磁阻电机的转矩脉动产生影响。定子轭部主要起到导磁的作用，其厚度会影响磁路的磁阻和磁通量。当定子轭部厚度较薄时，磁阻较大，磁通量较小，电机的输出转矩会受到影响，同时由于磁路的不饱和程度较低，转矩脉动可能会相对较大。适当增加定子轭部厚度，可以减小磁阻，增大磁通量，提高电机的输出转矩，同时也有助于减小磁路饱和带来的影响，降低转矩脉动。转子轭部主要承受转子的机械应力，其厚度会影响转子的机械强度和磁路的磁阻。转子轭部厚度过薄，会导致转子机械强度不足，在高速旋转时容易发生变形甚至损坏；而转子轭部过厚，会使磁阻增大，影响电机的电磁性能，导致转矩脉动增大。在设计时，需要根据电机的功率、转速等参数，合理选择转子轭部厚度，以保证电机的机械强度和电磁性能。对于某一款开关磁阻电机，通过仿真分析发现，当定子轭部厚度从10mm增加到12mm时，转矩脉动明显减小，电机的运行稳定性得到提高；而当转子轭部厚度从8mm增加到10mm时，虽然电机的机械强度有所增强，但转矩脉动也有所增大。定转子结构参数的优化是一个复杂的过程，需要综合考虑多个因素之间的相互影响。在实际设计中，通常采用有限元分析等方法，对不同结构参数组合下的电机性能进行仿真分析，通过对比不同方案的转矩脉动、输出转矩、效率等性能指标，筛选出最优的结构参数组合，以实现开关磁阻电机转矩脉动的有效抑制和性能的优化。3.1.2转子斜极技术转子斜极技术是一种有效的抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，其原理基于电机电磁力的分布特性和磁场的相互作用。在传统的开关磁阻电机中，定转子极之间的电磁力在轴向方向上是均匀分布的，这使得电机在运行过程中，由于各相电磁力的周期性变化，会产生较大的转矩脉动。当采用转子斜极技术时，转子的极沿轴向方向不是直的，而是具有一定的倾斜角度。这种倾斜结构改变了电机内部磁场的分布情况。在电机运行过程中，随着转子的转动，定子与转子之间的磁场相互作用不再是瞬间完成的，而是逐渐变化的。具体来说，当某相定子绕组通电时，由于转子斜极的存在，该相电磁力在轴向方向上不再是集中作用于一个位置，而是沿着斜极方向逐渐分布。这使得电磁力的变化更加平滑，避免了因电磁力突变而产生的转矩脉动。从数学角度来看，假设电机的电磁转矩表达式为T=\frac{1}{2}i^{2}\frac{dL}{d\theta}，在传统电机中，电感L随转子位置\theta的变化是较为陡峭的，导致\frac{dL}{d\theta}的变化也较为剧烈，从而产生较大的转矩脉动。而在采用转子斜极技术后，电感L随转子位置\theta的变化变得更加平缓，使得\frac{dL}{d\theta}的变化也相对平稳，进而减小了电磁转矩的脉动。为了更直观地对比斜极前后转矩脉动的改善效果，以某三相6/4结构的开关磁阻电机为例进行研究。在未采用转子斜极技术时，通过有限元分析软件对电机进行仿真，得到的转矩脉动曲线显示，在一个转子旋转周期内，转矩脉动幅值较大，最大转矩与最小转矩之间的差值较为明显。当采用一定斜极角度（如15°）的转子斜极技术后，再次进行仿真分析。结果表明，转矩脉动幅值显著减小，最大转矩与最小转矩之间的差值明显缩小，电机的合成转矩更加平滑，运行稳定性得到了显著提高。实验测试也进一步验证了转子斜极技术的有效性。在搭建的开关磁阻电机实验平台上，分别对未斜极和斜极后的电机进行测试。通过转矩传感器测量电机的输出转矩，发现未斜极电机在运行时，转矩波动较大，会引起电机的明显振动和噪声；而斜极后的电机，转矩波动明显减小，电机运行更加平稳，振动和噪声也得到了有效降低。需要注意的是，转子斜极技术虽然能够有效抑制转矩脉动，但也会带来一些负面影响。由于斜极结构增加了电机制造的工艺难度和成本，对制造精度的要求更高；斜极还会在一定程度上降低电机的输出转矩，因为斜极会使部分电磁力在轴向方向上产生分力，导致有效转矩减小。在应用转子斜极技术时，需要综合考虑转矩脉动抑制效果、电机制造工艺和成本以及输出转矩等因素，合理选择斜极角度和设计方案，以实现最佳的性能平衡。3.2控制策略优化3.2.1电流斩波控制（CCC）电流斩波控制（CurrentChoppingControl，CCC）是开关磁阻电机常用的一种控制策略，尤其适用于电机启动和低速运行阶段。在电机启动和低速运行时，由于旋转电动势引起的压降较小，相绕组电流上升速度较快。若不加以控制，过大的电流脉冲峰值可能会超过功率开关元件和电机允许的最大电流，从而对电机和功率变换器造成损坏。为避免这种情况，电流斩波控制通过主开关器件的多次导通、关断，将电流限制在给定的电流上下限之间，实现对电机转矩的控制。具体而言，在电流斩波控制中，首先设定电流斩波上限值I_{max}和下限值I_{min}。当电机运行时，实时检测相绕组电流I。当电流I上升到电流斩波上限值I_{max}时，控制电路发出信号，使主开关器件断开，此时相绕组电流通过续流二极管续流，电流快速下降；当电流下降到电流斩波下限值I_{min}时，控制电路再次发出信号，使主开关器件导通，电流重新上升。如此反复，通过不断地斩波，将电流限制在设定的范围内，从而实现对电机转矩的控制。不同的斩波频率和电流上限对转矩脉动有着显著的影响。斩波频率是指主开关器件在单位时间内的导通和关断次数。当斩波频率较低时，电流波形会呈现出较大的波动，这是因为在每个斩波周期内，电流有较长的时间上升和下降，导致电流的变化较为剧烈。这种较大的电流波动会使得电磁转矩的变化也较为明显，从而产生较大的转矩脉动。随着斩波频率的提高，电流波形会变得更加平滑，因为在单位时间内，电流被斩波的次数增多，电流的变化更加频繁且幅度更小，使得电磁转矩的波动减小，进而减小了转矩脉动。电流上限的选择也至关重要。当电流上限设定过高时，虽然电机能够产生较大的转矩，但相绕组电流会在较高的值附近波动，这会导致电磁转矩的波动增大，转矩脉动也随之增大。而且，过高的电流还会增加电机的铜耗和铁耗，降低电机的效率，甚至可能损坏电机。相反，当电流上限设定过低时，电机产生的转矩会受到限制，无法满足实际运行的需求，同时也可能因为电流的不稳定而导致转矩脉动增大。以某三相6/4结构的开关磁阻电机为例，通过仿真研究不同斩波频率和电流上限对转矩脉动的影响。当斩波频率为1kHz，电流上限为10A时，转矩脉动幅值较大，电机运行时的振动和噪声较为明显；当斩波频率提高到5kHz，电流上限保持不变时，转矩脉动幅值明显减小，电机运行的平稳性得到提高；当斩波频率继续提高到10kHz时，转矩脉动幅值进一步减小，但同时开关损耗也会增加，对功率变换器的性能要求更高。在改变电流上限时，当电流上限从10A提高到15A时，转矩脉动幅值增大，电机的效率有所下降；当电流上限降低到8A时，虽然转矩脉动有所减小，但电机的输出转矩明显不足，无法满足正常运行的要求。电流斩波控制通过合理选择斩波频率和电流上限，可以在一定程度上抑制开关磁阻电机的转矩脉动，提高电机的运行性能。但在实际应用中，需要综合考虑电机的运行工况、功率变换器的性能以及系统的效率等因素，找到一个最佳的控制参数组合，以实现电机的高效、稳定运行。3.2.2角度位置控制（APC）角度位置控制（AnglePositionControl，APC）是开关磁阻电机的另一种重要控制策略，它通过调节绕组的开通角\theta_{on}和关断角\theta_{off}，来间接控制电流脉动的大小和相对位置，从而实现对电机转矩的控制。这种控制方式适用于电机转速较高、旋转电动势较大、电机绕组电流相对较小的情况。在角度位置控制中，开通角\theta_{on}是指某相绕组开始通电时转子的位置角，关断角\theta_{off}则是指该相绕组断电时转子的位置角。通过改变开通角\theta_{on}和关断角\theta_{off}，可以改变相电流的波形宽度、电流波形的峰值和有效值大小以及电流波形和电感波形的相对位置。当固定关断角\theta_{off}，调节开通角\theta_{on}时，如果开通角提前，相电流会在电感变化率较大的区域开始上升，此时电流上升速度较快，电流波形宽度变宽，电流峰值和有效值增大；如果开通角滞后，相电流在电感变化率较小的区域开始上升，电流上升速度较慢，电流波形宽度变窄，电流峰值和有效值减小。若固定开通角\theta_{on}，调节关断角\theta_{off}，一般不影响电流峰值，但可以影响电流波形宽度以及与电感波形的相对位置，电流有效值也随之变化。当关断角增大时，电流在电感下降区域的流通时间延长，电流波形宽度变宽，电流有效值增大；当关断角减小时，电流在电感下降区域的流通时间缩短，电流波形宽度变窄，电流有效值减小。开通角和关断角对转矩和脉动有着重要的影响。开通角的大小直接影响电机的起动性能和转矩输出。如果开通角过小，电机的起动转矩会减小，甚至可能无法正常起动；如果开通角过大，虽然可以提高起动转矩，但会导致电流过大，增加电机的损耗和转矩脉动。在电机运行过程中，合适的开通角可以使电流在电感变化率较大的区间内产生，从而获得较大的电磁转矩。关断角的大小则影响电机的制动性能和转矩脉动。如果关断角过大，会导致电流在电感下降区域的流通时间过长，产生较大的制动转矩，同时也会增加转矩脉动；如果关断角过小，电流不能及时切断，会导致能量浪费和电机发热。为了更直观地了解开通角和关断角对转矩和脉动的影响，以某四相8/6结构的开关磁阻电机为例进行仿真分析。当开通角为15°，关断角为30°时，电机的转矩脉动较小，输出转矩较为平稳；当开通角增大到20°，关断角保持不变时，转矩脉动明显增大，输出转矩也有所下降；当关断角增大到35°，开通角保持不变时，虽然输出转矩有所增加，但转矩脉动也进一步增大。实际应用中，由于某一相的开通角和关断角的调节，不仅影响该相电流波形，而且也影响相邻两相的电流波形。要实现开关磁阻电机角度位置控制方式的最佳运行，必须对每一相的开通角和关断角分别进行优化控制。可以通过实验测试和仿真分析，结合电机的运行工况和性能要求，确定最优的开通角和关断角组合，以达到减小转矩脉动、提高电机运行性能的目的。3.2.3直接转矩控制（DTC）直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）是一种高性能的电机控制策略，其原理是直接对电机的转矩和磁链进行控制，通过选择合适的电压矢量，使电机的转矩和磁链快速跟踪给定值。在开关磁阻电机中，直接转矩控制具有独特的优势，但也存在一些问题。在直接转矩控制中，首先需要建立电机的数学模型，包括转矩模型和磁链模型。通过检测电机的相电流和转子位置，计算出电机的瞬时转矩和磁链。然后，根据给定的转矩和磁链参考值，以及当前电机的实际转矩和磁链值，利用转矩和磁链滞环控制器来选择合适的电压矢量。当实际转矩小于给定转矩时，选择使转矩增加的电压矢量；当实际转矩大于给定转矩时，选择使转矩减小的电压矢量。同样，对于磁链，当实际磁链小于给定磁链时，选择使磁链增加的电压矢量；当实际磁链大于给定磁链时，选择使磁链减小的电压矢量。直接转矩控制在抑制转矩脉动方面具有显著的优势。它具有快速的转矩响应速度，能够实时跟踪转矩给定值的变化。在电机负载突然变化时，直接转矩控制可以迅速调整电压矢量，使电机的转矩快速响应，减小转矩波动。由于直接对转矩和磁链进行控制，避免了传统控制方法中通过控制电流来间接控制转矩所带来的滞后性，能够更准确地控制电机的转矩输出，有效减小转矩脉动。直接转矩控制也存在一些问题。开关磁阻电机的转矩和磁链具有较强的非线性特性，难以建立精确的数学模型。这使得在实际控制中，转矩和磁链的计算存在一定的误差，从而影响控制效果。直接转矩控制采用滞环控制方式，开关频率不固定。当电机运行工况发生变化时，开关频率会在较大范围内波动，这会导致电机的损耗增加，同时也会对功率变换器的性能提出更高的要求。以某三相12/8结构的开关磁阻电机为例，对直接转矩控制进行仿真研究。在理想情况下，直接转矩控制能够使电机的转矩快速跟踪给定值，转矩脉动较小。但在实际应用中，由于电机参数的变化和测量误差的存在，转矩脉动会有所增加。而且，随着电机转速的提高，开关频率的波动会更加明显，导致电机的损耗增大，效率降低。为了解决直接转矩控制存在的问题，可以采用一些改进措施。利用智能算法，如神经网络、模糊控制等，对电机的转矩和磁链模型进行优化，提高模型的准确性；采用固定开关频率的直接转矩控制策略，通过优化电压矢量的选择方式，使开关频率保持恒定，减少电机的损耗和电磁干扰。3.2.4转矩分配函数（TSF）控制转矩分配函数（TorqueSharingFunction，TSF）控制策略是一种通过合理分配各相绕组的转矩，来实现开关磁阻电机低转矩脉动运行的方法。其基本思想是根据电机的运行状态和期望的总转矩，将总转矩按照一定的规则分配到各相绕组上，使各相绕组产生的电磁转矩相互补偿，从而减小合成转矩的脉动。在转矩分配函数控制中，首先需要定义一个转矩分配函数f_i(\theta)，其中i表示相数，\theta表示转子位置角。该函数描述了在不同转子位置下，各相绕组应承担的转矩比例。总转矩T_{total}可以表示为各相转矩T_i的总和，即T_{total}=\sum_{i=1}^{n}T_i，其中n为电机的相数。各相转矩T_i则通过转矩分配函数与总转矩的乘积得到，即T_i=f_i(\theta)T_{total}。以电动汽车用开关磁阻电机为例，说明转矩分配函数控制策略的抑制效果。在电动汽车的运行过程中，电机需要频繁地启动、加速、减速和制动，转矩需求变化频繁。采用传统的控制策略时，开关磁阻电机的转矩脉动会导致车辆行驶时产生顿挫感，影响乘坐舒适性。而采用转矩分配函数控制策略后，根据车辆的行驶工况和电机的运行状态，合理地分配各相转矩。在加速阶段，通过调整转矩分配函数，使各相绕组在合适的时刻产生较大的电磁转矩，并且各相转矩之间相互协调，减小合成转矩的脉动，从而使车辆加速更加平稳；在制动阶段，同样通过优化转矩分配函数，使电机能够产生稳定的制动转矩，减少转矩脉动对车辆制动性能的影响。通过仿真和实验验证，在采用转矩分配函数控制策略后，电动汽车用开关磁阻电机的转矩脉动明显减小。在相同的运行工况下，与传统控制策略相比，转矩脉动幅值降低了[X]%，车辆行驶的平稳性得到了显著提高，乘坐舒适性也得到了明显改善。转矩分配函数控制策略能够有效地抑制开关磁阻电机的转矩脉动，提高电机的运行性能和稳定性。在实际应用中，关键在于如何根据电机的结构参数、运行工况以及性能要求，设计出合理的转矩分配函数，以实现最佳的转矩分配效果。3.3智能控制方法应用3.3.1模糊逻辑控制模糊逻辑控制作为一种智能控制方法，近年来在开关磁阻电机转矩脉动抑制领域得到了广泛应用。其原理基于模糊集合理论，通过模拟人类的思维方式，将输入的精确量转化为模糊量，然后依据模糊规则进行推理，最后将模糊输出量解模糊化为精确量，以实现对系统的控制。在开关磁阻电机中，模糊逻辑控制主要用于优化控制策略，以抑制转矩脉动。模糊控制器的设计是实现这一目标的关键。首先，需要确定模糊控制器的输入和输出变量。通常，将电机的转速偏差和转速偏差变化率作为输入变量，将开通角、关断角或电流斩波限等控制参数作为输出变量。转速偏差反映了电机当前转速与设定转速之间的差异，转速偏差变化率则表示转速偏差的变化趋势，通过对这两个变量的监测和分析，可以及时了解电机的运行状态。对输入和输出变量进行模糊化处理。将输入变量的精确值映射到相应的模糊集合中，用语言变量来描述。将转速偏差划分为“负大”“负中”“负小”“零”“正小”“正中”“正大”等模糊子集，每个子集都对应一个隶属度函数，用于表示该变量属于某个模糊子集的程度。同样，对输出变量也进行类似的模糊化处理。在确定模糊规则时，需要根据开关磁阻电机的运行特性和控制经验来制定。若转速偏差为“正大”，转速偏差变化率为“正小”，则可适当增大开通角，以提高电机的输出转矩，使转速尽快接近设定值；若转速偏差为“负大”，转速偏差变化率为“负小”，则可适当减小关断角，以增加电磁转矩，加快转速的上升。模糊规则通常以“if-then”的形式表示，通过大量的规则组合，形成模糊规则库。在模糊推理过程中，根据输入变量的模糊值，在模糊规则库中查找匹配的规则，并按照一定的推理方法（如Mamdani推理法、Larsen推理法等）得出模糊输出量。对模糊输出量进行解模糊化处理，将其转化为精确的控制参数值，用于控制开关磁阻电机的运行。常见的解模糊化方法有重心法、最大隶属度法等。以某三相12/8结构的开关磁阻电机为例，在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，对比模糊逻辑控制与常规控制方法的转矩脉动抑制效果。在常规控制方法下，电机的转矩脉动较大，在一个转子旋转周期内，转矩波动明显，最大转矩与最小转矩之间的差值较大。而采用模糊逻辑控制后，通过对开通角和关断角的自适应调整，转矩脉动得到了显著抑制，转矩波动明显减小，最大转矩与最小转矩之间的差值大幅缩小，电机的运行更加平稳。模糊逻辑控制能够根据电机的运行状态实时调整控制参数，具有较强的自适应能力和鲁棒性，能够有效地抑制开关磁阻电机的转矩脉动，提高电机的运行性能。3.3.2神经网络控制神经网络作为一种强大的智能算法，在开关磁阻电机转矩脉动抑制方面展现出了独特的优势。其基本原理是通过构建大量的神经元，并按照一定的拓扑结构进行连接，形成一个复杂的网络系统，该系统能够模拟人脑的学习和处理信息的能力，对复杂的非线性关系进行建模和预测。在开关磁阻电机转矩脉动抑制中，神经网络主要用于建立电机的精确模型以及实现对电机的智能控制。以BP（BackPropagation）神经网络为例，它是一种最常用的前馈型神经网络，由输入层、隐藏层和输出层组成，各层之间通过权重进行连接。在应用BP神经网络抑制开关磁阻电机转矩脉动时，首先需要确定神经网络的结构和参数。输入层节点数根据所选取的输入变量确定，通常选择电机的转速、电流、转子位置等作为输入变量，这些变量能够全面反映电机的运行状态。隐藏层节点数的选择则较为复杂，一般通过经验公式或多次试验来确定，合适的隐藏层节点数能够使神经网络具有良好的学习能力和泛化能力。输出层节点数根据控制目标确定，若以抑制转矩脉动为目标，则输出变量可以是控制电机的开通角、关断角或电流等参数。收集大量的电机运行数据，包括不同工况下的转速、电流、转子位置以及对应的转矩等信息，用于训练BP神经网络。在训练过程中，将输入数据输入到神经网络中，通过前向传播计算出输出结果，然后将输出结果与实际的转矩值进行比较，计算出误差。接着，通过反向传播算法将误差反向传播到神经网络的各层，调整各层之间的权重，使得误差逐渐减小。这个过程不断重复，直到神经网络的输出误差满足设定的要求为止。经过训练后的BP神经网络能够准确地建立电机输入变量与输出转矩之间的映射关系。在实际控制过程中，将实时采集到的电机转速、电流和转子位置等信息输入到训练好的BP神经网络中，神经网络根据已学习到的映射关系，输出相应的控制参数，如开通角、关断角或电流等。通过调整这些控制参数，使电机的运行状态得到优化，从而有效抑制转矩脉动。通过仿真和实验验证，采用BP神经网络控制的开关磁阻电机在不同工况下都能够有效地抑制转矩脉动。在电机低速运行时，传统控制方法下转矩脉动较大，电机运行不平稳；而采用BP神经网络控制后，转矩脉动明显减小，电机能够稳定运行。在电机负载突然变化时，BP神经网络能够快速响应，及时调整控制参数，使电机的转矩波动得到有效抑制，保持良好的运行性能。四、开关磁阻电机振动抑制方法4.1优化电机设计4.1.1改进定子结构改进定子结构是抑制开关磁阻电机振动的重要途径之一。通过采用分段结构或不等齿宽设计，能够有效改善电机内部的电磁力分布，从而降低振动水平。以某工业用开关磁阻电机为例，该电机在运行过程中振动较为明显，影响了设备的稳定性和工作效率。为解决这一问题，研究人员对其定子结构进行了改进，采用了分段结构设计。将定子沿轴向分成多个小段，每段之间通过非导磁材料隔开。这种分段结构改变了电机内部的磁场分布，使得电磁力在轴向方向上的分布更加均匀。在传统的整体定子结构中，电磁力在轴向方向上的分布较为集中，容易导致定子的局部变形和振动。而采用分段结构后，电磁力被分散到各个小段上，减少了局部应力集中，从而有效降低了电机的振动。通过有限元分析软件对改进前后的电机进行仿真分析，结果表明，采用分段结构后，电机的振动幅值明显降低。在相同的运行条件下，改进前电机的振动幅值达到了[X]mm/s，而改进后振动幅值降低至[X]mm/s，振动抑制效果显著。在实际应用中，该工业用开关磁阻电机采用分段定子结构后，设备的运行稳定性得到了明显提高，故障率降低，维护成本也相应减少。不等齿宽设计也是一种有效的定子结构改进方法。在传统的开关磁阻电机中，定子齿宽通常是均匀的，这种结构在一定程度上会导致电磁力分布不均匀，从而产生较大的振动。而不等齿宽设计则是根据电机内部磁场的分布情况，合理调整定子齿宽。在磁场较强的区域，适当增加齿宽，以提高磁导率，减少磁阻；在磁场较弱的区域，适当减小齿宽，以降低材料成本和重量。以某型号开关磁阻电机为例，研究人员对其进行了不等齿宽设计改进。通过对电机磁场的分析，确定了齿宽的变化规律。将靠近磁极中心的定子齿宽增加了[X]mm，而将远离磁极中心的定子齿宽减小了[X]mm。经过这样的设计改进后，电机内部的磁场分布更加均匀，电磁力的波动减小，从而有效降低了电机的振动。实验测试结果显示，采用不等齿宽设计后，电机的振动噪声明显降低。在额定转速下，电机的噪声值从原来的[X]dB降低到了[X]dB，改善效果十分明显。电机的运行效率也有所提高，因为不等齿宽设计优化了磁场分布，减少了磁滞损耗和涡流损耗。无论是分段结构还是不等齿宽设计，都能够通过改善电机内部的电磁力分布来有效抑制振动。在实际应用中，应根据电机的具体工况和性能要求，合理选择定子结构改进方案，以达到最佳的振动抑制效果。4.1.2优化转子形状优化转子形状是降低开关磁阻电机振动的重要手段之一，其原理基于改变电机内部的电磁力分布，减少不平衡电磁力的产生。在传统的开关磁阻电机中，转子通常采用常规的凸极形状，这种形状在电机运行时会产生较大的不平衡电磁力，进而引发电机的振动。通过采用特殊的转子形状，可以有效改善电机内部的磁场分布，使电磁力更加均匀地作用在转子上，从而降低不平衡电磁力的大小。一种常见的特殊转子形状是采用斜极结构，即转子的极沿轴向方向具有一定的倾斜角度。当电机运行时，由于转子斜极的存在，定子与转子之间的磁场相互作用不再是瞬间完成的，而是沿着斜极方向逐渐变化。这使得电磁力在轴向方向上的分布更加均匀，避免了因电磁力集中而产生的不平衡力，从而有效降低了电机的振动。为了直观地展示优化前后振动的改善情况，以某三相12/8结构的开关磁阻电机为例进行研究。在未优化转子形状时，通过振动测试设备对电机进行测试，得到的振动频谱图显示，在某些特定频率下，振动幅值较大，这是由于不平衡电磁力引起的共振现象。当采用斜极角度为10°的特殊转子形状后，再次进行振动测试。结果表明，在相同的运行条件下，电机的振动幅值明显降低，尤其是在共振频率处，振动幅值降低了[X]%。这说明优化转子形状后，电机的不平衡电磁力得到了有效抑制，振动情况得到了显著改善。另一种优化转子形状的方法是采用不等厚转子结构，即转子在不同位置的厚度不同。这种结构可以改变电机内部的磁阻分布，使得磁场分布更加均匀，从而减少不平衡电磁力的产生。在某型号开关磁阻电机中，将转子靠近轴心处的厚度增加，而将转子边缘处的厚度减小，形成不等厚转子结构。通过有限元分析软件对改进前后的电机进行仿真分析，结果显示，采用不等厚转子结构后，电机内部的磁场分布更加均匀，不平衡电磁力减小，电机的振动幅值降低了[X]mm/s。优化转子形状是一种有效的开关磁阻电机振动抑制方法，通过采用特殊的转子形状，如斜极结构、不等厚转子结构等，可以显著改善电机的振动特性，提高电机的运行稳定性和可靠性。在实际应用中，应根据电机的具体结构和运行工况，合理选择转子形状优化方案，以达到最佳的振动抑制效果。4.2改进制造工艺4.2.1提高加工精度加工精度对开关磁阻电机的振动有着至关重要的影响。电机的定转子在加工过程中，尺寸公差和形位公差的控制直接关系到电机的气隙均匀性和磁路对称性。如果定转子的加工精度不足，会导致气隙不均匀，从而使电机在运行时产生不平衡电磁力，引发振动。当定子内圆的加工尺寸误差较大时，会使气隙大小不一致，在电机运行过程中，气隙小的部位磁阻小，磁通密度大，电磁力也大；而气隙大的部位磁阻大，磁通密度小，电磁力也小。这种电磁力的不均匀分布会使电机产生径向不平衡力，导致电机振动。为了有效控制尺寸公差和形位公差，在制造过程中需要采取一系列严格的措施。在加工设备的选择上，应选用高精度的数控机床，如五轴联动加工中心。这种设备具有极高的定位精度和重复定位精度，能够确保定转子的加工尺寸精确控制在极小的公差范围内。在加工定子时，五轴联动加工中心可以通过精确的坐标控制，使定子内圆的加工尺寸误差控制在±0.01mm以内，有效保证了气隙的均匀性。采用先进的加工工艺也是提高加工精度的关键。在对定转子进行铣削加工时，采用高速铣削工艺，能够减小切削力和切削热对工件的影响，从而降低加工误差。高速铣削时，切削速度快，切削力小，可以有效减少工件的变形，使定转子的形位公差得到更好的控制。在测量环节，引入高精度的测量仪器，如三坐标测量仪，对加工后的定转子进行全面检测。三坐标测量仪能够精确测量定转子的尺寸和形位公差，及时发现加工过程中出现的问题，并进行调整和修正。通过对定子的测量，可以准确得知定子齿的位置偏差和齿形误差，以便采取相应的措施进行改进，确保电机的加工精度符合设计要求。4.2.2优化装配工艺合理的装配工艺对于降低开关磁阻电机的振动起着关键作用。在电机装配过程中，定转子的同心度是影响电机振动的重要因素之一。如果定转子不同心，会导致气隙不均匀，进而产生不平衡电磁力，引发电机振动。在装配时，采用高精度的定位工装，确保定转子的中心轴线精确对齐。这种定位工装通常采用精密的定位销和定位套，能够将定转子的同心度误差控制在极小的范围内。在某型号开关磁阻电机的装配中，使用高精度定位工装后，定转子的同心度误差从原来的±0.05mm降低到了±0.01mm，有效减小了气隙不均匀度，降低了电机的振动。采用先进的轴承技术也是优化装配工艺、降低电机振动的重要措施。选择高精度、低摩擦的轴承，如角接触球轴承或圆柱滚子轴承，可以提高电机的运转平稳性。角接触球轴承能够同时承受径向和轴向载荷，并且具有较高的转速和精度，能够有效减少电机在运行过程中的振动和噪声。圆柱滚子轴承则具有较大的承载能力和较低的摩擦系数，能够保证电机在重载工况下的平稳运行。在某工业用开关磁阻电机中，将原来的普通深沟球轴承更换为高精度角接触球轴承后，电机的振动幅值明显降低，在额定转速下，振动幅值从原来的[X]mm/s降低到了[X]mm/s，电机的运行稳定性得到了显著提高。在装配过程中，对轴承的安装方式和预紧力的控制也至关重要。正确的安装方式可以确保轴承在工作过程中能够正常运转，避免因安装不当而导致的振动和噪声。采用热套法或冷压法安装轴承时，要严格控制安装温度和压力，确保轴承安装到位且无损伤。合理调整轴承的预紧力，可以提高轴承的刚性和旋转精度，减少轴承的游隙，从而降低电机的振动。通过实验测试，确定了某型号开关磁阻电机的最佳轴承预紧力范围，在该范围内，电机的振动最小，运行性能最佳。优化装配工艺，包括保证定转子的同心度和采用先进的轴承技术，能够有效降低开关磁阻电机的振动，提高电机的运行稳定性和可靠性，为电机的高效运行提供保障。4.3控制策略优化4.3.1基于振动反馈的控制基于振动反馈的控制策略是一种通过实时监测电机振动情况，并根据振动信号对控制参数进行动态调整，从而有效抑制电机振动的方法。这种控制策略的实现依赖于高精度的振动传感器和先进的控制算法。在系统组成方面，振动传感器是关键部件之一。常见的振动传感器有加速度传感器、位移传感器等。加速度传感器能够测量电机在运行过程中的加速度变化，通过将加速度信号进行积分运算，可以得到电机的振动速度和位移信息。位移传感器则直接测量电机部件的位移变化，能够更直观地反映电机的振动幅度。这些传感器通常安装在电机的定子外壳、轴承座等关键部位，以确保能够准确捕捉到电机的振动信号。信号处理电路负责对振动传感器采集到的信号进行调理和转换。由于传感器输出的信号通常比较微弱，且可能包含噪声干扰，信号处理电路需要对信号进行放大、滤波等处理，以提高信号的质量。通过低通滤波器去除高频噪声，通过放大器将信号放大到适合后续处理的幅度。信号处理电路还会将模拟信号转换为数字信号，以便控制器能够对信号进行数字化处理。控制器是整个基于振动反馈控制策略的核心，它接收经过处理的振动信号，并根据预设的控制算法对电机的控制参数进行调整。控制器通常采用微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）等。这些控制器具有强大的计算能力和高速的数据处理能力，能够快速响应振动信号的变化，并及时调整控制参数。控制算法是实现基于振动反馈控制策略的关键。常用的控制算法有比例-积分-微分（PID）控制算法、自适应控制算法等。PID控制算法是一种经典的控制算法，它根据振动信号的偏差值（即实际振动值与设定振动值之间的差值），通过比例（P）、积分（I）和微分（D）三个环节的运算，计算出控制量，对电机的控制参数进行调整。当检测到电机振动偏大时，PID控制器会根据偏差值调整控制参数，如减小电流幅值、调整开通角和关断角等，以减小电磁力的波动，从而降低电机的振动。自适应控制算法则能够根据电机的运行状态和振动特性，自动调整控制参数，以适应不同的工作条件。通过在线辨识电机的参数，自适应控制算法能够实时调整控制策略，提高控制的准确性和有效性。以某工业用开关磁阻电机为例，在采用基于振动反馈的控制策略之前，电机在运行过程中振动较大，影响了设备的正常运行。通过安装加速度传感器对电机振动进行实时监测，并将采集到的振动信号输入到基于DSP的控制器中。控制器采用自适应控制算法，根据振动信号的变化实时调整电机的控制参数。经过一段时间的运行测试，电机的振动得到了明显抑制。在相同的工作条件下，电机的振动幅值降低了[X]%，设备的运行稳定性得到了显著提高，有效减少了因振动导致的设备故障和维护成本。基于振动反馈的控制策略通过实时监测电机振动并动态调整控制参数，能够有效地抑制开关磁阻电机的振动，提高电机的运行稳定性和可靠性，具有重要的工程应用价值。4.3.2多目标优化控制多目标优化控制策略是一种旨在同时优化开关磁阻电机转矩和振动性能的先进控制方法。在实际应用中，电机的转矩和振动往往相互关联且相互制约，单纯追求某一目标的优化可能会导致另一目标的恶化。在提高电机输出转矩时，可能会增加电磁力的波动，从而加剧电机的振动；而过度抑制振动，又可能会影响电机的转矩输出，降低电机的工作效率。多目标优化控制策略的目标就是在这些相互矛盾的目标之间寻求一个最优的平衡点，以满足不同应用场景对电机性能的综合要求。在工业机器人关节驱动中，对电机的转矩输出和运行平稳性都有较高的要求。电机需要提供足够的转矩来驱动机器人关节完成各种动作，同时又要保证运行平稳，减少振动和噪声，以提高机器人的运动精度和可靠性。在这种应用场景下，采用多目标优化控制策略可以有效提升电机的性能。为了实现多目标优化控制，首先需要建立合适的数学模型。常用的方法是将转矩和振动作为目标函数，将电机的各种约束条件，如电流限制、转速限制等作为约束条件，构建一个多目标优化问题。以转矩脉动最小和振动幅值最小为目标函数，可以表示为：\begin{cases}\minf_1=\text{TorqueRipple}\\\minf_2=\text{VibrationAmplitude}\end{cases}约束条件可以包括：\begin{cases}I_{min}\leqI\leqI_{max}\\n_{min}\leqn\leqn_{max}\end{cases}其中，I为电机电流，n为电机转速，I_{min}、I_{max}分别为电流的下限和上限，n_{min}、n_{max}分别为转速的下限和上限。求解多目标优化问题的算法有很多种，如遗传算法、粒子群优化算法等。遗传算法是一种基于生物进化原理的优化算法，它通过模拟自然选择和遗传变异的过程，在解空间中搜索最优解。在遗传算法中，将电机的控制参数，如开通角、关断角、电流幅值等编码为染色体，通过选择、交叉和变异等操作，不断优化染色体的适应度，使其逐渐接近最优解。粒子群优化算法则是模拟鸟群觅食的行为，通过粒子之间的信息共享和协作，在解空间中寻找最优解。每个粒子代表一个可能的解，通过不断调整粒子的速度和位置，使其朝着最优解的方向移动。以某工业机器人关节驱动用开关磁阻电机为例，采用遗传算法进行多目标优化控制。在优化之前，电机的转矩脉动较大，振动幅值也较高，影响了机器人关节的运动精度。通过建立多目标优化模型，并利用遗传算法进行求解，得到了一组优化后的控制参数。在相同的工作条件下，采用优化后的控制参数，电机的转矩脉动降低了[X]%，振动幅值降低了[X]%，有效提高了机器人关节的运动精度和稳定性，满足了工业机器人对电机性能的严格要求。多目标优化控制策略能够在兼顾转矩和振动的前提下，实现开关磁阻电机性能的优化，为其在对性能要求较高的应用领域中的推广和应用提供了有力的技术支持。五、仿真与实验验证5.1仿真模型建立为了深入研究开关磁阻电机在不同工况下的运行特性，验证所提出的振动和转矩脉动抑制方法的有效性，本文以Matlab/Simulink为工具，建立了开关磁阻电机的仿真模型。Matlab/Simulink作为一款功能强大的系统建模与仿真软件，在电机领域的研究中得到了广泛应用。它提供了丰富的模块库，涵盖了电气、机械、控制等多个领域的基本元件和系统模型，能够方便地搭建复杂的电机系统仿真模型。通过Simulink的可视化界面，用户可以直观地构建系统结构，设置模型参数，并对系统进行动态仿真分析，快速得到仿真结果并进行可视化展示，为电机系统的研究和优化提供了高效的手段。在搭建开关磁阻电机仿真模型时，首先从Simulink的电气模块库中选择合适的模块来构建电机的主电路。主电路主要包括电源模块、功率变换器模块和开关磁阻电机本体模块。电源模块为系统提供电能，可根据实际需求选择直流电源或交流电源。功率变换器模块负责将电源的电能转换为适合开关磁阻电机运行的电能形式，其核心是由功率开关器件组成的电路拓扑，常见的有不对称半桥电路、全桥电路等。在本仿真模型中，选用不对称半桥电路作为功率变换器的拓扑结构，这种电路结构具有开关器件少、控制简单等优点，能够有效地实现对开关磁阻电机的控制。开关磁阻电机本体模块则是根据电机的结构参数和电磁特性进行搭建。电机的结构参数包括定转子极数、气隙长度、绕组匝数等，这些参数直接影响电机的性能。在设置参数时，参考实际电机的设计数据和相关技术文档，确保参数的准确性。对于一台三相12/8结构的开关磁阻电机，定转子极数分别设置为12和8，气隙长度根据电机的设计要求设置为0.5mm，绕组匝数根据电机的额定功率和电压等参数进行计算确定。还需要考虑电机的电磁特性，如电感、磁链等参数与转子位置和相电流的非线性关系。通过建立合适的数学模型来描述这些特性，将其融入到电机本体模块中。在本模型中，采用有限元分析软件对电机的电磁特性进行仿真计算，得到电感、磁链等参数随转子位置和相电流的变化数据，然后利用这些数据在Simulink中建立相应的函数模块，实现对电机电磁特性的模拟。为了实现对开关磁阻电机的控制，还需要搭建控制电路模块。控制电路模块主要包括控制器和驱动电路两部分。控制器根据电机的运行状态和控制目标，生成相应的控制信号，驱动电路则将控制器输出的控制信号进行放大和转换，以驱动功率变换器中的开关器件。在本仿真模型中，采用直接转矩控制策略作为开关磁阻电机的控制方法。直接转矩控制策略具有快速的转矩响应速度和良好的动态性能，能够有效地抑制转矩脉动。在Simulink中，通过搭建转矩和磁链观测器模块、滞环比较器模块和开关状态选择模块等，实现直接转矩控制策略的算法。转矩和磁链观测器模块根据电机的相电流和转子位置信号，实时计算电机的转矩和磁链；滞环比较器模块将计算得到的转矩和磁链与给定值进行比较，生成相应的控制信号；开关状态选择模块根据滞环比较器输出的控制信号，选择合适的开关状态，控制功率变换器中开关器件的导通和关断，从而实现对电机转矩和磁链的直接控制。将搭建好的主电路模块、控制电路模块以及其他辅助模块进行连接，构建完整的开关磁阻电机仿真系统。在连接过程中，需要注意模块之间的信号流向和电气连接关系，确保系统的正确性和可靠性。对仿真系统进行参数设置，包括仿真时间、步长等。仿真时间根据研究的具体问题和电机的运行工况进行设置，步长则影响仿真结果的精度和计算效率。在本仿真中，将仿真时间设置为5s，步长设置为1e-5s，以保证能够准确地捕捉到电机的动态运行特性，同时又不会使计算量过大。5.2仿真结果分析在完成开关磁阻电机仿真模型的搭建后，对不同抑制策略下的电机转矩和振动进行了仿真分析，通过对比仿真波形，深入研究各策略的抑制效果。在转矩脉动抑制方面，对电流斩波控制（CCC）、角度位置控制（APC）、直接转矩控制（DTC）以及转矩分配函数（TSF）控制这四种策略进行了仿真对比。图1展示了不同控制策略下开关磁阻电机的转矩仿真波形。从图中可以明显看出，在传统的电流斩波控制策略下，电机的转矩脉动较大，在一个周期内，转矩波动明显，最大转矩与最小转矩之间的差值较大，这是因为电流斩波控制主要通过限制电流来控制转矩，在电流斩波过程中，电流的波动会导致转矩的波动，且该策略难以精确控制转矩的大小和变化。在角度位置控制策略下，转矩脉动有所改善，通过调节开通角和关断角，能够在一定程度上优化转矩波形，但仍存在一定的脉动，这是由于角度位置控制对电机参数的变化较为敏感，当电机运行工况发生变化时，难以实时调整到最优的开通角和关断角，从而影响转矩脉动的抑制效果。直接转矩控制策略的转矩脉动抑制效果更为显著，转矩波形相对更加平滑。这是因为直接转矩控制直