文|无邪
编辑|无邪
开关磁阻电机 (SRM) 具有刚性结构、低成本、无需永磁体，适用于电动汽车 (EV)。
本文回顾了SRM设计、绕组拓扑、转换器拓扑和控制方法的研究。
转矩脉动是SRM的缺点，但通过多相SRM、最佳结构和控制方法的研究得以解决。
采用多种定子/转子磁极和绕组布置组合的MSRM进行了研究。全桥转换器适用于EV中的SRM。转矩共享、直接转矩控制和直接瞬时转矩控制是减少SRM转矩脉动的主要方法。
介绍
电动汽车对牵引电机驱动的要求可概括为：
·高扭矩密度和功率密度
·起步、低速、爬坡大扭矩，高速巡航大功率
·速度范围广，恒功率运行范围约为基本速度的 3-4 倍
·在较大的速度和扭矩范围内实现高效率，包括低扭矩操作
·间歇性过载能力，通常是短时间内额定扭矩的两倍
·适应车辆环境的高可靠性和坚固性
·噪音低
·可接受的成本
由于永磁电机采用高性能永磁材料而具有高扭矩、功率密度和高效率的优点。
此外，由于机械强度低，高速驱动受到限制。使得感应电机、同步磁阻电机和开关磁阻电机等无稀土电机受到越来越多的关注。
SRM 的拓扑结构、设计和比较
引入多相 SRM
根据相数，SRMS可分为偶数相SRM和奇数相SRM两种。
以三相和六相两种SRM为例，这两种SRM的定子磁极排列如图所示。在奇数相SRM中，如三相SRM，定子磁极排列通常为NSNSNS（定义为NS模式），并且磁场是对称的。
在偶数相SRMS中，如六相SRM，当定子磁极排列通常为NS模式时，磁场不对称，相互间会产生互感，这意味着容错性会降低，在偶数相 SRM 中需要去耦绕组连接。
在传统的 SRM (CSRM) 中，需要位置信号来控制每个相位，因此，随着相位数量的增加，对位置传感器的需求也随之增加。
SRM的设计方法
在优化函数中，输入参数是多变量的，输出值是多约束、多目标、多极值和非线性的，因此，各种智能算法被用于SRMs的优化设计，如遗传算法（GA），粒子群优化。基于非支配排序遗传算法-II (NSGA-II) 对皮带驱动启动发电机 (BSG) 进行了优化。
优化流程图如图所示。建立以平均转矩、纹波和损耗设置为优化目标的优化函数。与初始参数集相比，优化后的电机平均转矩提高了41.9%，转矩脉动降低了65.89%。
不同SRM 的比较
BSG 电机与不同的多相 CSRM 进行了比较。它是一种分段式 SRM (SSRM)。
另外两种拓扑结构为8/6和8/10的四相SRM如所示，五相10 /8 和六相 12/10 SRM如图所示，所有这五个 SRM都连接在传统绕组中。
定子外径和电机长度分别为128和80 mm，气隙在SSRM中为0.25 mm，在其他SRM中为0.3 mm。
由于受限条件并没有表现出最好的性能，重新设计了电机具有相同的槽填充系数和电流密度，其他SRM是在相同条件下设计的。这6种SRM的主要参数和控制角度如表所示。
这六款SRM的性能如图所示，额定转速条件下的瞬态转矩如图所示，转矩、损耗和效率的相关值如图所示。
从这六款SRM的对比可以看出，转矩脉动随着相数的增加而减小。8/10和10/8结构SRM的平均扭矩最大，但8/10的铁损比10/8的铁损大。
相邻励磁辅助定子磁极不能产生较大转矩，但可以降低铁损，提高效率，容错性优于CSRM。通过比较这六种 SRM 的扭矩、铁损和效率，五相 SRM 的性能优于其他 SRM。
绕组拓扑
SRM的工作原理是磁通始终沿最大磁导率路径闭合产生磁转矩，磁通分布与绕组接法、磁极极性排列和励磁相数有关，如图所示。
如图所示的三相SCSRM中，单齿线圈放置在定子磁极周围，而转子不需要任何绕组或磁铁，因此制造成本低。
定子磁极与转子磁极夹角设为30°（机械角），FCSRM的理想电感如图所示。
在定子和电流密度相同的情况下，以双极120°模式激励的三相SCSRM和FCSRM在启动状态和额定转速状态下进行比较。
扭矩曲线如图所示，详细结果列于下表，SRM在启动状态下运行时，控制策略为电流斩波控制（CCC），相电流可以假设为恒流。在SCSRM中，传导序列是AB-B-BC-C-CA-A，而FCSRM的传导序列是AB-BC-CA，如图所示。
从表中可以看出，在低速应用中，FCSRM 的性能优于SCSRM的性能。SRM在高速应用中运行时，FPSRM产生的力矩较小，因为电流续流时间较长，会产生负力矩，这说明全螺距绕线机优于低速应用中的短螺距绕线机。
目前的文献中，全螺距绕组用于三相CSRM，由于多相CSRM中的互感复杂，这种方法很难用于多相CSRM。
转换器拓扑结构
功率变换器是SRM系统的关键部分，其设计直接关系到整个系统的性能和成本。
自20世纪 80 年代以来，SRM 受到越来越多的关注，对主电路的拓扑结构进行了大量研究，文献中对几种功率变换器进行了全面综述。
非对称半桥转换器
四相AHB转换器如图所示。以A相为例，三种运行方式如图所示。从图中可以看出转换器以单向电流工作，上下开关可以独立控制，AHB转换器提供更高的相位独立性。
在AHB变换器中，每相需要两个开关管和二极管，这两个器件的数量是相数的两倍，只能用分立元件实现，需要电力电子器件、驱动器和保护电路，即电路设计复杂，意味着更高的成本。
共享开关转换器
共享开关非对称半桥转换器，也称为米勒转换器。四相 SRM 的( n +1) 开关转换器如图所示。与AHB变换器相比，在( n +1)开关变换器中，一个由公共开关和二极管组成的公共桥代替了AHB变换器中另一半。
图中显示了三种操作模式。在低速应用中，( n + 1) 变流器与AHB变流器相同，但是当电机高速运行时，下一相充磁期间公共开关的导通会干扰前一相导通的退磁，从而使相电流不能续流至零，容错能力也会降低。
拆分转换器
从图中可以看出，在这个转换器中，使用了一半的直流电压，需要两个电容来稳定中间点的电压。
在分相转换器中，两相必须随时同时导通，因此甚至需要多个相 SRM 才能利用此转换器。这种转换器的主要缺点是中点电压浮动的影响和容错性差。
C转储转换器
C-dump变流器之所以能够产生能效，是因为C-dump变流器在磁阻电机的换相过程中可以更快地退磁，能量被放电到电容器后，直接用于下一相而不返回直流来源。
变换器中加入了由电感和电容组成的滤波电路，减少了反馈给电源的能量。四相 SRM 中使用的标准 C-dump 转换器如图所示。
C-dump 转换器的主要缺点是需要额外的电容器并且开关的电流应力很高。
集成模块化转换器拓扑
由于三相全桥变换器已成为标准方案，众多厂商提供完整的三相全桥变换器电源模块，包括驱动电路和保护电路。
然后，它被广泛用于三相交流电机驱动以及简单封装。因此，驱动成本显著降低。
全螺距SRM需要双极性电流，在文中采用全桥变换器实现SRM的双向励磁控制。
四相 SRM 中的互补导电相绕组与二极管反向串联，SRM由两个单相全桥臂实现，但控制方法复杂，容错性降低。
在混合动力电动汽车 (HEV) 领域，将转换器、电机与充电器集成在一起的新型转换器。该转换器有多种操作模式来控制功率电流。
将逆变器的一个桥集成为降压-升压转换器，将另外两个桥集成为整流器的拓扑结构，从而降低了系统成本。
提出了多电平转换器，以通过加速励磁和退磁过程来提高电机性能。
例如将两个三相全桥变换器串联在绕组上，更便于控制绕组中的双向电流。并且所提出的驱动系统可以为开关设备中的开路和短路故障提供先进的容错解决方案。
减少转矩脉动的控制方法
在SRM中，磁阻转矩是定子电流和转子位置的非线性函数，与其他类型的电机相比，高转矩波动和噪声是 SRM 驱动器的基本缺点。
扭矩波动应保持较小，因为它会激发传动系统中的机械振荡，并随着时间的推移导致轴疲劳。
这会产生令汽车乘客不愉快的噪音。
几十年来，人们提出了众多减少转矩脉动、振动和噪声的解决方案，方法可分为两种：优化电机结构和优化控制方法。
在优化电机结构的方法中，定子和转子极弧作为设计参数，并进行了研究以优化定子和转子磁极的几何形状，这些技术不需要额外的计算能力，并且对于在有限的操作范围内将扭矩波动最小化是有效的。
然而，扭矩波动还没有减少到足以用于需要静音操作的应用，此外，由于有效气隙增加，最大可实现扭矩也减少了。
SRM中的控制参数包括开通角、关断角、相电流限值、直流母线平均电压等。
SRM中常用的控制方式有电流斩波控制(CCC)、角位控制(APC)和脉冲宽度调制 (PWM)。
当SRMs在启动状态或低速运行时，反电动势很小，相电流迅速上升，CCC用于限制相电流的最大值。
SRM高速运行时，相电流上升速度慢，CCC不起作用，PWM控制效果不大，常采用APC控制方式，通过改变导通或关断角度来控制电流波形。
但是，这三种方法都不能从根本上解决高转矩脉动的问题。
DTC 和 DITC 的框图如图所示。基于磁链和转矩双磁滞环，通过选择合适的电压矢量来控制磁链的磁链大小和转速，实现转矩控制。
可变开关频率、电流和扭矩失真可能是基于DTC滞后的控制器的主要缺点。为了减少此类问题，其他方法与DTC相结合，例如空间矢量调制（SVM）控制，RBF神经网络等。
另一种直接转矩控制方法是直接瞬时转矩控制（DITC），根据扭矩滞后和开关角使用合适的换向策略。在这两种方法中，扭矩输出均由具有预定义切换表的滞后控制器控制。
对三相 12/8 SRM 中的DTC和DITC进行了比较，转矩脉动在DTC控制中为49%，在DITC控制中为30%。
实验结果表明DITC 策略可能是一种对于实际工程应用来说是个不错的选择，而不是DTC，因为DTC策略需要反馈转矩和反馈磁通，这增加了控制系统的复杂性。
无论是DTC还是DITC，扭矩反馈都是必不可少的。扭矩可以通过扭矩测量仪直接获得，但这会使系统昂贵和复杂。
另一种通过测量电压、电流、位置等信息间接获得转矩的方法。最流行的方法是使用静态T - i - θ特性来计算扭矩，扭矩存储在3-D查找表中。
SRM 被发现非常适合电动汽车应用，但是，高水平的扭矩脉动和噪声使SRM无法满足在EV 中的应用。增加相数、优化结构和控制方法可以降低SRMs的转矩脉动。
多相SRM可分为偶数相SRM和奇数相SRM，在奇数相SRM中，常用的绕组排列方式为N、S极交替排列，可命名为NS模式。
而在偶数相SRM中，当绕组排列为NS模式时会产生互感，因此在偶数相SRM中需要去耦绕组连接。
SRMs的优化设计中使用了大量的智能算法，最著名的是多目标优化设计方法。提出了分段 SRM 以增加转矩，比较了不同的多相SSRM和CSRM。
从比较中可以看出，采用常规绕组类型的SSRM不能提高转矩，但可以提高容错能力并降低铁损。
具有全螺距绕组的多相 SSRM 可以增加扭矩并降低铁芯损耗、扭矩纹波和噪声，这可能满足EV中的应用。
参考文献
1.《开关磁阻机的建模、设计优化和应用 - 综述》。IEEE 工业应用杂志，2019年，55期，2660-2681页。
2.电动汽车、混合动力电动汽车和插电式混合动力电动汽车中的电力电子和电动机驱动。IEEE工业电子学会议论文集，2008年，55: 2237-2245。
3.一个基于ANFIS的ECMS用于平行混合动力电车的能量优化。IEEE汽车技术杂志2019;69:1473-1483。
4.基于模糊方法和顺序田口方法的电动汽车用IPMSM的多目标设计优化。IEEE工业电子学会刊物，2021年，68：10592-10600。
5.用于车辆检测的最新深度学习算法的比较研究。IEEE智能交通系统杂志2019; 11: 82-95。
联系客服
