开关磁阻电机振动噪声的抑制方法

开关磁阻电机在运行过程中产生较大的径向力，径向力作用于电机定子会导致电机在运行时产生明显的振动和噪声，振动和噪声问题是开关磁阻电机的固有问题。开关磁阻电机的振动噪声抑制是国内外研究热点。开关磁阻电机在运行过程中产生的径向力是其振动的主要根源［85］，减小开关磁阻电机振动和噪声的关键在于减小作用在定子凸极的径向力。国内外学者从电机本体结构优化和控制策略两方面进行了大量研究。

了解开关磁阻电机振动和噪声的特性是抑制振动噪声的前提，针对开关磁阻电机的特征，研究者提出了多种振动计算和预测模型。开关磁阻电机的振动可以简化为若干二阶模型的叠加，不同二阶模型对应不同阶的振动模态。文献［86］利用有限元方法获得了开关磁阻电机在多阶模态下的振型，并分析了电机结构因素对模态的影响。文献［87］研究了开关磁阻电机不同相绕组产生振动的耦合关系，由于不同相绕组产生的振动在时间和空间上存在偏移，振动叠加使部分阶次的振动被削弱。文献［88］通过正弦激励的方式对二阶模型的阻尼系数进行了辨识，但该方法操作较复杂，需要激振器提供正弦激励。文献［89］通过脉冲激励对二阶模型的幅值和阻尼系数进行了辨识，使用该方法获得二阶模型较为简单，但该模型仅适用于单脉冲控制方式下的振动预测。文献［90］根据径向力的计算公式推导出开关磁阻电机振动的状态空间模型，该模型可以较清晰地表现振动的时域特性。

1）面向振噪抑制的本体结构优化

文献［91-94］研究了电机设计中的关键要素（如结构和材料属性等）对电机振动模态的影响，为本体结构的优化提供了基础。文献［91］研究了材料属性（杨氏模量、泊松比、密度）对振动模态的影响；文献［92］分析了绕组和端盖对电机模态的影响；文献［93］通过有限元方法研究了不同绕组匝数和定子支架形式对振动的影响，并对选择绕组匝数和定子支架给出了建议；文献［94］利用3D有限元对5种具有不同叠片形状的定子进行模态分析，并对不同相数和定、转子极数情况下的叠片形状选择给出了建议。文献［95-98］提出了新的电机本体结构以降低振动和噪声。文献［95］和［96］分别提出了一相和三相凸极倾斜式开关磁阻电机，通过仿真和实验说明凸极倾斜式开关磁阻电机在不降低转矩和效率的情况下对振动与噪声（振噪）有抑制作用；文献［97］比较了双定子开关磁阻电机和常规开关磁阻电机的电磁力特性，结果表明双定子结构能有效降低径向力；文献［98］研究了凸极开槽对噪声和效率的影响，结果表明凸极开槽有利于降低开关磁阻电机噪声。文献［99］通过使用倾斜式定转子凸极的方式降低径向力和振动，分析了定子凸极倾斜、转子凸极倾斜对振动的影响，结果表明定转子倾斜可以在不影响效率的情况下降低振动。

2）面向振动与噪声抑制的控制策略优化(www.xing528.com)

针对振动抑制的控制策略主要围绕如何降低径向力或者降低与模态频率重合的径向力谐波成分展开，其基本策略可分为三种：一是多步换相方法，二是开关角调整，三是电流规划方法。

多步换相法指在驱动器换相的过程中，驱动电路的上下桥间隔一定时间关断，其原理是使上下桥关断产生的振动互相抵消。文献［100］通过对振动时域特征的观察提出了多步换相方法，该方法对降低开关磁阻电机振动和噪声有明显效果；文献［101］验证了多步换相方法在PWM电压控制方式下的效果，同时提出了负电压PWM控制，并证明了其对振动有抑制效果；文献［102］比较了多步换相方法在单脉冲控制、PWM电压控制和PWM电流控制方式下的效果，结果说明多步换相在单脉冲模式下效果最明显，同时指出该方法仅能抑制一个频率的振动。文献［103］介绍了不同拓扑结构下多步换相策略的实现方法。文献［104］介绍了通过解析模型预测多步换相法降振效果的方法。

开关磁阻电机的开关角对电机振动有较明显的影响，通过适当调整开关角可以降低振动。文献［105］利用C-dump驱动电路延长了导通角，增加了各相运行的重合区间，通过降低关断时径向力突变降低振动；文献［106］比较了开关角同步调整方法和关断角随机调整方法的效果，同时与其他三种振动抑制方法（变频率PWM控制方法、电流谐波随机变化方法、电流波形尾部调整方法）进行了比较，结果表明电流波形尾部调整方法与开关同步调整方法配合可以取得最好的降振效果。电流规划方法通过控制电流波形中各频次谐波分量，降低与模态频率接近的径向力谐波分量的幅值，进而达到减振降噪的目的。文献［107］对不同工况下的电流波形进行规划来降低振动，并评估了不同波形对效率的影响；文献［108］采用正弦波驱动开关磁阻电机，该方法有效降低了开关磁阻电机的三次功率谐波和噪声，同时增加了转矩输出；文献［109］以三相径向力之和恒定为目标规划了电流波形，并验证了该方法的减振效果；文献［110］对径向力与电流谐波的关系进行了建模，并以径向力的三阶分量为零作为约束条件规划了电流的波形；文献［111］以径向力的三阶分量最小为优化目标，求解出电流前三阶谐波分量的幅值，进而得到电流规划波形，该方法验证了有限阶电流谐波分量对振动的抑制效果；文献［112］以径向力的三阶分量最小为优化目标，求解了不同相位角度下电流前三阶谐波分量的幅值，并分析了三阶径向力分量最小条件下均方根（root mean square，RMS）电流值与相位角的关系，结果表明有限阶的电流谐波可以在降振的同时降低RMS电流。