在我国加速转变经济增长方式的背景下,节能技术的推广和应用成为工业发展的重要任务。工业电动机的用电量占全国工业用电量的2/3,发展高效电机是目前国家中小型电机产业产品结构调整的重点,开关磁阻电机作为高效调速节能电机从九十年代就开始在我国作为工业产品出现,然而几十年来振动、噪声和转矩脉动一直制约着开关磁阻电机在我国的应用和推广开关磁阻电机因其结构简单、工作可靠、效率高、成本低等优点而成为当前极具竞争力的一种调速电动机,在我国己成功地应用于电动车驱动、油田煤炭机械、锻压机械、家用电器和纺织机械等各个领域。由于转子上没有永磁体或绕组,开关磁阻电机具有较高的可靠性,适合应用于很多恶劣的环境或场合。在性能方面,开关磁阻电机具有频繁正反转、调速性能好、过载能力强、在宽广的调速范围内效率高等优点。然而由于其双凸极结构、控制特点以及磁路饱和和非线性的影响,开关磁阻电机的噪声、振动以及转矩脉动比永磁电机和异步电机都要高,如何降低噪声和振动一直以来都是开关磁阻电机领域研究的热点。本文分别从开关磁阻电机的新结构设计、改进的磁路解析计算、新型的高精度位置检测装置设计、电机控制策略设计、以及电机控制系统设计等方面入手,系统的提出抑制电机振动和转矩脉动的设计方案,具有一定的工程意义和理论价值。本文第一章首先阐述了本课题的研究目的和意义,然后介绍了开关磁阻电机相关领域的研究现状,主要包括开关磁阻电机的振动和转矩脉动抑制的方法、基于磁场分割法的电机磁路分析以及开关磁阻电机的转子位置检测方法这三个领域,其中着重介绍了抑制电机振动的电机本体设计方法和削弱转矩脉动的控制策略。在第二章中提出一种在转子齿两侧开槽的方法,通过改变转子齿形来改变转子表面气隙磁密的方向,减小气隙径向磁密,同时增大切向磁密。由麦克斯韦张量法可知,电机的径向力波可以得到有效抑制,达到减小电磁振动的目的。随后比较了转子齿单侧开槽、两侧开槽和极靴型转子三种开槽方式,通过有限元分析可知背离旋转方向一侧的开槽对电机性能没有影响,两侧开槽时正转和反转可以获得相同效果,极靴型转子齿的转矩脉动稍大,但是三种开槽方式的径向力波峰值相同。本章中研究了开槽宽度、开槽深度和齿顶高度这三个关键尺寸对转矩脉动、径向力波和平均转矩的影响规律,通过有限元分析获得样机的最优开槽尺寸。计算了相导通区间内的径向力波削弱百分比,在相导通的初期对振动抑制的效果最好,但随着定子和转子齿中心线夹角的减小,对振动抑制的水平降低。这种在转子齿两侧开槽的方法改造和制造成本都较低,具有良好的工程意义。在第三章提出了一种基于抛物线弧的改进的磁场分割法,用于复杂定、转子形状的开关磁阻电机气隙磁导计算,这种方法比传统的基于圆弧的磁场分割法精度更高,比基于椭圆弧的磁场分割法的计算过程更简洁。将定子与转子的相对位置划分为三个区间,应用改进的磁场分割法分别计算了三个区间里普通转子和开槽转子开关磁阻电机的气隙磁导和气隙磁密。本章还提出了一种开关磁阻电机径向力波抑制百分比的解析计算方法,通过麦克斯韦张量法的表面力波方程以比值的方式计算了径向力波的抑制程度。这种方法没有计算具体的转子表面径向力波数值,而是计算了径向力的波削弱程度,这个过程中不需要考虑电流、电感、磁链等非线性很强的、很难采集的变量,只需要计算气隙形状改变带来的气隙磁导的变化。对于其他类型的双凸极电机或通过改变定转子齿形进行振动抑制的设计,都可以采用这个思路进行磁路验算,可以大大提高优化设计的效率,有较强的通用性。随后将椭圆磁路法和抛物线磁路法计算的径向力波抑制百分比与有限元分析的结果进行对比,由于没有考虑饱和、漏磁等因素的影响,磁路法获得的结果比有限元法整体偏大,抛物线弧的磁路计算结果更接近有限元分析。本章最后进行了转子开槽样机(开槽参数由第二章确定)和普通样机的振动对比测试,转子开槽样机的振动加速度明显小于普通样机,但是电机效率有略微的下降,实测的径向力波抑制百分比与解析计算的结果接近,表明本章提出的方法是有效、准确的。试验同时验证了第二章提出的通过转子开槽抑制电机振动的方法。第四章中使用磁阻式多极旋转变压器进行开关磁阻电机的位置检测,设计了旋转变压器位置检测装置,可为旋转变压器提供励磁信号,还可以输出最大16384脉冲／周的增量式编码器位置信号和模拟光电开关的位置信号,能够提高开关磁阻电机的控制精度,可满足高精度伺服控制的要求。在第五章中提出一种基于电流追踪的瞬时转矩控制的新方法,将电机模型的转矩-位置角平面的曲线,通过曲线拟合的数值分析方法构建不同电流下的转矩曲线族表达式,得到电机的斩波限流值和瞬时转矩的映射函数,通过控制电流实现开关磁阻电机的瞬时转矩控制,可以降低转矩脉动。这种方法的优点在于电流-转矩映射函数简洁,计算量较少,适合于实时控制,有利于降低嵌入式控制系’统的资源占用率。通过有限元法验证了本控制策略。在第六章中设计了开关磁阻电机控制系统,可以进行电机的调速并实现复杂的控制算法,系统包括基于F2812 DSP的主控板和以IGBT作为功率开关的功率驱动板。本章详细阐述了系统的主要硬件电路和软件功能。使用本控制系统进行了前文的样机测试。