開關磁阻電動機結構參數優化設計研究

孔慶奕，李艷超，容 燁，張 輝，金宗輝，韓 葉

(河北交通職業技術學院，石家莊 050035)

開關磁阻電動機結構參數優化設計研究

孔慶奕，李艷超，容 燁，張 輝，金宗輝，韓 葉

(河北交通職業技術學院，石家莊 050035)

摘 要：開關磁阻電動機的轉矩脈動是影響電機性能的一個重要因素。以三相12/8開關磁阻電動機為例建立電機仿真模型，以減小電機轉矩脈動為目的，修改相應的電機本體結構參數，提出一種在電機定子和轉子齒上開槽的方法來改變電機內部的磁力線路徑，以減小定轉子之間的徑向磁密，實現減小轉矩脈動的目的。通過數值仿真驗證了該方法對減小開關磁阻電動機的噪聲具有較為明顯的效果。

關鍵詞：開關磁阻電機；結構優化；轉矩脈動；電機性能；噪聲抑制

0 引 言

開關磁阻電動機(以下簡稱SRM)作為一種新型電機，相比于其他電機，結構簡單，轉子上無繞組，定子上有集中繞組，無相間跨接線，力矩與相電流極性無關，特殊的結構使其可獲得較高的轉速，并且可以通過對電流的不同控制滿足不同負載要求的機械特性。近年來，SRM在混合動力汽車、航天和機械制造領域都有著較好的發展前景[1]。

然而，由于SRM本身的雙凸極結構，在繞組換相時會造成轉矩波動明顯，所引起的電機噪聲與振動比一般電動機大，且無法消除[2]，因此研究如何減小電機的轉矩脈動已經成為SRM研究領域的一個熱點問題。電機的控制策略和結構優化都可以實現轉矩脈動的減小[3]，本文針對電機本體結構參數對電機性能的影響展開討論分析。

針對SRM本身結構特點和電機內部氣隙磁密分布情況，本文研究一種新型的定轉子齒結構，在定子兩側開槽以及前端和后端增加極靴，在轉子齒兩側開槽，改變電機內部的氣隙磁密方向，削弱了定轉子之間的徑向磁密，從而減小了轉矩脈動。利用電磁仿真軟件對結構改變前后2種電機參數進行數值仿真，驗證了本方法對抑制電機噪聲振動的有效性。

1 基于磁場邊緣效應的削弱SRM電磁脈動方法

根據磁場邊界條件可知，磁力線在通過2種不同物質分界面時，會發生“折射”——即產生磁場邊緣效應，如圖1所示。

圖1 磁力線邊緣磁效應

設鐵心和空氣氣隙界面兩側的磁感線與界面法向量夾角分別是θ1和θ2，則可推出：

(1)

由于μFe?μ0，所以對于SRM定轉子而言，靠近氣隙一側，磁力線的出射角和入射角都接近于90°。根據麥克斯韋張量法可知，隨著定子表面的出射角和轉子表面入射角的增大，法線方向的磁密將增大，導致定轉子表面的徑向力將增大，加劇SRM轉矩脈動[4]，如圖2所示。

圖2 改進前轉子齒表面磁密走向

為了減小徑向力，可以在電機的定轉子結構上做一下變化[5]。如圖3所示，嘗試在定子和轉子的兩側開槽，改變了磁力線的走向，磁力線在定子方向的出射角α1和轉子方向的入射角β2隨之減小，使得定子齒和轉子齒一側的徑向磁密減小，電磁力的徑向力也隨之減小，從而可以有效地削弱SRM的轉矩脈動，達到減小噪聲的效果[6]。另外考慮到定轉子在轉動時相互接觸容易發生轉矩突變，在定子磁極前后端增加了極靴，增大了定轉子的接觸面積，實現了一個定轉子重合前的緩沖區域，有效減小脈動突變，減小噪聲[7]。

圖3 改進后定轉子齒表面磁密走向

2 SRM有限元仿真分析

選取功率為750 W的12/8三相SRM為例，對其進行建模優化仿真，研究開槽位置和定子前后端極靴角大小對電機轉矩脈動大小的影響，SRM電機額定參數如表1所示。

表1 SRM額定參數

應用Ansoft電磁仿真軟件對SRM結構變換前后進行建模仿真，如圖4所示。

(a) 最初結構

(b) 改進結構

750 W的12/8三相SRM的主要結構參數如表2所示。

表2 SRM主要結構參數

2.1 轉子開槽位置的影響

由電磁邊緣理論分析可知，電機內部的磁密分布受到定轉子開槽位置的影響，進而影響到電機的轉矩脈動。下面以750 W的12/8三相SRM為例，通過對開槽高度進行調整，來對比分析開槽位置對轉矩脈動的抑制影響。

將開槽高度由距齒頂1 mm逐漸變化到4 mm,電機的轉矩變化如圖5所示?？梢钥闯?，隨著齒頂高度增加，平均轉矩在逐漸降低。

(a) 1 mm處開槽

(b) 2 mm處開槽

(c) 3 mm處開槽

(d) 4 mm處開槽

SRM的轉矩脈動一般用轉矩波動系數衡量。轉矩波動系數越大，電機轉矩脈動越大；反之，轉矩脈動越小。

轉矩波動系數K[11]可表示：

(2)

式中：Tmax為最大轉矩值;Tmin為最小轉矩值;Tavg為平均轉矩值。

如表3所示，定轉子兩側開槽時，和未開槽相比，轉矩波動系數明顯減小，即轉矩脈動明顯減小了，電機的噪聲也因此大幅度降低，說明雙側開槽的方法對減小SRM轉矩脈動有效，并且由表3可知，隨著開槽位置高度增加，轉矩波動系數在逐漸增大，這是由于開槽高度越高，磁力線的路線改變越不明顯，入射角α越大，導致徑向磁密越大，所以脈動越明顯，轉矩波動系數也就越大。開槽越靠近齒頂時，轉矩波動系數越小，改善效果越好，但是考慮到電機的機械穩定性問題，在靠近齒頂位置，所受電磁力切向力比較大，會造成SRM轉子機械強度降低。為了獲得較大的切向轉矩和較小的徑向轉矩，我們將轉子開槽位置定在距齒頂2 mm處，能夠達到降低轉矩脈動和保證機械強度的目的。

表3 SRM轉子開槽位置對轉矩波動系數的影響

2.2 定子前后端增加極靴抑制脈動

定轉子凸極從不重合到完全重合再到完全分離的位置，徑向轉矩先增大后減小，這樣就容易造成電機旋轉時引起周期性脈動，磁密分布如圖6、圖7所示。為了抑制脈動，在定子的前后端的端部位置加上一組帶有契形角度的極靴，如圖4、圖7所示。由于定子部分磁極結構的變化，會使定轉子在重合前后，氣隙中的磁力線有足夠的接觸面積，因而磁力線路線在重合前后突變不大，有效地抑制了定轉子磁極瞬間的轉矩突變值，達到減小轉矩脈動的效果。如表4所示，定子前后端加上極靴后，電機的平均轉矩有所降低，但是總體上并不影響電機的主要性能。

圖6 定轉子凸極不重合磁密分布

圖7 定轉子凸極完全重合磁密分布

結構類型平均轉矩Tavg/(N·m)轉矩波動系數K無極靴1.091 31.366 6有極靴0.980 51.211 8

為了考察極靴形狀對電機波動系數的影響，通過實驗考察了契形角為45°和90°時情況，如表5所示?？梢?，極靴前端的契形角越小，脈動系數越小，但是同時也會導致電機的平均轉矩減小?？紤]到本文中在定子齒兩端開槽，為了電機在運行時的機械強度，契形角不宜選得過小。綜合考慮電機性能，本文選擇契形角形狀為直角，電機性能效果為最佳。

表5 SRM定子極靴契型角對轉矩波動系數的影響

3 結 語

本文通過對磁場邊緣效應理論的分析，歸納出可以通過改變電機本體結構來實現電機內部氣隙磁場路徑走向的一種方法，這種方法可以有效達到減小徑向磁密，改善電機轉矩脈動的目的，并通過對750W的12/8三相SRM進行有限元仿真來驗證方法的有效性，得出如下結論：

1)在定轉子兩側開槽能有效降低電機內部的徑向磁力，達到抑制轉矩脈動和減少SRM噪聲的目的。

2)開槽位置對電機的轉矩波動系數和平均轉矩均有影響，離齒頂越近，轉矩波動系數越小，但考慮到電機轉子的機械穩定性，選取離齒頂2 mm處作為電機開槽最優位置。

3)在定子的前端和后端加上極靴，犧牲了一部分平均轉矩，但是增大了定子和轉子的有效接觸面積，有效地抑制了定轉子磁極瞬間的轉矩突變值，達到減小轉矩脈動的效果，并且考察了定子極靴契形角大小對電機整體性能的影響。

4)這種通過改變電機本體結構來改變磁力線路徑的方法，在工程上易于實現，對于其他雙凸極類型電機的噪聲抑制問題，都具有借鑒作用，有較好的應用前景。

[1] 朱曰瑩,趙桂范,楊娜.電動汽車用開關磁阻電機驅動系統設計及優化[J].電工技術學報，2014，29(11)： 88-98.

[2] 蔡燕,張東學.開關磁阻電機新型轉子齒形對轉矩脈動抑制的仿真研究[J].電工技術學報，2015，30(S2)：64-70.

[3] 林委，嚴欣平，黃嵩，等．8/6極開關磁阻電機分布與電感參數研究[J].微電機，2014，47(8)：7-10．

[4] TAKEMOTO M,CH IBA A,AKAGI H,et al.Radial force and torque of a bearingless switched reluctance motor operating in a region of magnetic saturation[J].IEEE Transactions on Industry Application，2004，40(1):103-112．

[5] 張懿，姜文濤，蔡燕,等．開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法綜述[J]．科技創新與應用，2016(8)：49．

[6] 陳世坤．電機設計[M]．北京：機械工業出版社，2000.

[7] 宋受俊，葛樂飛，劉虎成，等．開關磁阻電機設計及優化方法[J]．電工技術學報，2014，29(5)：197-204．

TheInfluenceofStructureOptimumDesignofSwitchedReluctanceMotor

KONGQing-yi,LIYan-chao,RONGYe,ZHANGHui,JINZong-hui,HANYe

(Hebei Jiaotong Vocational and Technical College,Shijiazhuang 050035,China)

Abstract:The torque ripple of switched reluctance motor is an important factor of affecting the motor performance. A three-phase 12/8 switched reluctance motor was used as an example and a motor simulation model by using finite element was established. The purpose of modifying the corresponding motor body structure parameters was to reduce torque ripple.The simulation results show that the method has a good effect on the noise suppression of the switched reluctance motor.

Key words：switched reluctance motor (SRM); optimization of structure; torque ripple; noise suppression

中圖分類號：TM352

A

1004-7018(2018)05-0028-03

2017-12-29

國家自然科學基金資助項目(51577048)；河北省高等學?？茖W技術研究項目(QN2016203)；河北交通職業技術學院科學技術研究項目(ZR-201701)

作者簡介：孔慶奕(1983—),男,博士后，副教授，研究方向為工程電磁場分析、磁性材料模擬與應用。