欒茹，郭金茹，祁新春

(北京建筑大學(xué)電信學(xué)院，北京100044)

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有效阻尼開關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)的定子灌體結(jié)構(gòu)*

欒茹，郭金茹，祁新春

(北京建筑大學(xué)電信學(xué)院，北京100044)

區(qū)別于現(xiàn)有的抑制開關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)的解決方法，利用有效阻尼手段衰減該電機(jī)的振動(dòng)。經(jīng)過數(shù)學(xué)建模，得出有效阻尼系數(shù)與電機(jī)振動(dòng)位移成反比的結(jié)果，在此基礎(chǔ)上提出利用非材料阻尼構(gòu)造較強(qiáng)的有效阻尼系數(shù)來明顯降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲。在這些研究結(jié)果基礎(chǔ)上，提出開關(guān)磁阻電機(jī)定子的蒸發(fā)冷卻灌體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述該灌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造過程，該灌體結(jié)構(gòu)既抑制了開關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)，又沒有影響到該電機(jī)的力能指標(biāo)。

開關(guān)磁阻電機(jī)； 蒸發(fā)冷卻；振動(dòng)；定子結(jié)構(gòu)；阻尼

0　引言

開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡稱SRM)作為最新一代節(jié)能型無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，從其投入使用之日起就倍受矚目，尤其是近期隨著新能源汽車使用的普及，學(xué)界越來越看好用開關(guān)磁阻電機(jī)取代永磁電機(jī)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。但是，在開關(guān)磁阻電機(jī)的整個(gè)發(fā)展過程中，一直沒有解決好的最主要問題之一：就是振動(dòng)噪聲問題，這已經(jīng)成為阻礙其發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)瓶頸問題[1]。經(jīng)過對(duì)SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出振動(dòng)與噪聲的源頭及影響參數(shù)的試驗(yàn)研究[2]，結(jié)果表明定轉(zhuǎn)子之間的徑向電磁力是真正的源頭，特別是當(dāng)電磁力變化的頻率與定子固有頻率一致時(shí)，轉(zhuǎn)子是實(shí)體結(jié)構(gòu)，基本上不受徑向電磁力的影響。而定子是殼體結(jié)構(gòu)，在這種脈動(dòng)的電磁吸力作用下發(fā)生規(guī)則性壓縮、擴(kuò)張的振動(dòng)，該振動(dòng)通過機(jī)殼向外發(fā)射噪聲，成為SR電機(jī)噪聲的主要根源[3]～[5]。找到了SRM振動(dòng)的根源也就找到了解決的方法，既然振動(dòng)與噪聲由徑向電磁力及其脈動(dòng)引起，則應(yīng)該想方設(shè)法用衰減手段來抵消這種振動(dòng)，若振源被衰減了，則噪聲自然會(huì)降低。因此，本文提出一種有效阻尼手段，通過數(shù)學(xué)演繹、工程實(shí)踐等過程，推導(dǎo)出有效阻尼手段能夠大大衰減振動(dòng)的結(jié)論，再進(jìn)而提出一種應(yīng)用有效阻尼手段的定子灌體結(jié)構(gòu)，采用這一灌體結(jié)構(gòu)的SRM將明顯降低振動(dòng)。

1　有效阻尼衰減振動(dòng)位移的機(jī)理

在振動(dòng)學(xué)中最基本、最簡單的振動(dòng)問題是單自由度系統(tǒng)，若用x表示質(zhì)量為m的單元在激振力f(t)的作用下的位移，則根據(jù)牛頓定律建立起該單元的運(yùn)動(dòng)微分方程式為

(1)

式中，c—該單元起振的阻尼系數(shù)；k—該單元的彈簧剛度。激振力f(t)多為周期函數(shù)，所以設(shè)f(t)=Fejωt；ω—激振頻率，由這樣的激振力引起的位移響應(yīng)為

x(t)=Xejωt,代入式(1)中得到

(2)

式(2)說明，有效阻尼系數(shù)與振動(dòng)位移成反比，能夠明顯衰減振幅與振速(對(duì)應(yīng)振動(dòng)強(qiáng)度)，顯然，增加SRM振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，是解決其振動(dòng)噪聲的最有效手段。而之前學(xué)界中已經(jīng)想到過這種策略，如增加定子鐵心的厚度，可帶來的負(fù)面結(jié)果是電機(jī)體積增大；還有在定子鐵心或機(jī)座上涂阻尼材料來增大電機(jī)結(jié)構(gòu)的阻尼，但是阻尼效果很有限，收效甚微。本文認(rèn)為必須是效果明顯的阻尼手段才能達(dá)到大大衰減振幅與振速的目的，這涉及到非材料阻尼的原理，是指類似油、水等有粘性的液體，在箱體等容器中流動(dòng)時(shí)均具有不同程度的粘性質(zhì)，對(duì)管道、箱體的振動(dòng)起到較強(qiáng)的阻尼作用，并消耗振動(dòng)能量，粘性越大、液體的密度越大，則阻尼的作用越大?？梢?，只有采用類似非材料阻尼的手段，才能明顯增加電機(jī)定子振動(dòng)時(shí)的有效阻尼系數(shù)，對(duì)此，已經(jīng)研制出蒸發(fā)冷卻異步發(fā)電機(jī)樣機(jī)[6]。

2　SRM的定子灌體結(jié)構(gòu)

與蒸發(fā)冷卻異步發(fā)電機(jī)類似，在振動(dòng)現(xiàn)象比異步電機(jī)嚴(yán)重的SRM上同樣可以實(shí)施非材料阻尼的蒸發(fā)冷卻技術(shù)。將SRM定子進(jìn)行合理密封，用比重與粘性較大的液態(tài)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)灌注到該密封體內(nèi)，則該液體既是阻尼介質(zhì)，又是絕緣介質(zhì)，還是冷卻介質(zhì)。因?yàn)镾RM的發(fā)熱體主要是定子，用冷卻效果最好的蒸發(fā)冷卻完全可以替代風(fēng)扇冷卻，消除因風(fēng)扇帶來的空氣動(dòng)力噪聲。對(duì)于浸泡式蒸發(fā)冷卻定子結(jié)構(gòu)，將定子繞組的電流密度、鐵心內(nèi)的磁密，按水冷卻方式一樣，可以取得略高一些，從而降低開關(guān)磁阻電機(jī)的體積，提高功率密度?？梢?，SRM的冷卻、絕緣、振動(dòng)衰減都可以一并用該密封灌體結(jié)構(gòu)解決。但是，現(xiàn)有的臥式電機(jī)蒸發(fā)冷卻技術(shù)，是用一個(gè)套筒緊貼定子鐵心內(nèi)表面，將需要冷卻的定子整體(包括所有的鐵心與繞組)全部包圍起來，進(jìn)行嚴(yán)格密封，形成一個(gè)密封腔體，然后再用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)加以浸泡。這樣一來，定轉(zhuǎn)子之間的氣隙必須做得足夠大才能夠放下這個(gè)套筒(一般要求氣隙至少達(dá)到3mm)，而這種結(jié)構(gòu)原理不適用于開關(guān)磁阻電機(jī)。這是因?yàn)?，開關(guān)磁阻電機(jī)是利用定轉(zhuǎn)子間的主磁通(也可稱為磁阻)變化率產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，如果氣隙大，會(huì)導(dǎo)致主磁通及主磁通的變化率減少而漏磁通卻增加，從而削弱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還會(huì)帶來噪聲的增大。為此，本文提出一種專用于SRM的定子灌體結(jié)構(gòu)，該灌體結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是，不占用定轉(zhuǎn)子之間的氣隙。

先觀察一般SRM定子的實(shí)物，可以看出，定子繞組緊緊纏繞在定子鐵心磁極上并將磁極完全包住，只露出定子鐵心磁極的內(nèi)表面，在定子鐵心磁極之間的定子槽口上，定子繞組沿磁極纏繞完后，用槽楔緊緊壓裝在定子繞組上，以使定子繞組可靠地固定在定子槽內(nèi)。安裝完后，定子槽楔與定子鐵心磁極內(nèi)表面持平，所以整個(gè)定子的內(nèi)表面由定子鐵心磁極內(nèi)表面、定子槽楔組成一個(gè)封閉的多面體形狀。本文的密封灌體結(jié)構(gòu)充分利用了SRM的這種原有結(jié)構(gòu)，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1密封用絕緣板

用圖1中所示的密封絕緣板代替槽楔壓裝定子繞組上。用一種與原來所用的槽楔厚度相同或者相近的絕緣材料，加工成圖1中所示的形狀，作為密封定子用的絕緣板。該絕緣板由兩部分組成，用于壓裝槽內(nèi)定子繞組的部分與原來的槽楔完全一樣，以防止定子繞組在運(yùn)行過程產(chǎn)生任何的活動(dòng)或者松動(dòng)，其長度L是定子鐵心長度的一半，其寬度d就是原來槽楔的寬度；另一部分是用于密封定子鐵心與繞組端部，其長度L1是根據(jù)SRM端部(指定子鐵心端部到電機(jī)機(jī)殼端蓋的距離)的長度而定，比定子繞組伸出定子鐵心的那部分要長，其寬度d1等于兩相臨定子鐵心磁極之間的直線距離，即d1=2×定子鐵心磁極的內(nèi)表面沿圓周向的寬度+2×d+適度余量。將這種結(jié)構(gòu)的密封用絕緣板分別從定子鐵心槽的兩側(cè)用工具壓裝在槽內(nèi)的定子繞組上，保證絕緣板與定子鐵心磁極緊密接觸，不留空隙，完成后每個(gè)槽內(nèi)有兩個(gè)密封用絕緣板分別占據(jù)各一半的空間，定子內(nèi)表面由定子鐵心磁極內(nèi)表面、壓裝定子繞組的密封用絕緣板表面組成一個(gè)封閉的多面體形狀，鐵心兩端是多出鐵心軸向長度的、密封用絕緣板中的L1部分，且這些絕緣板之間有很大的重疊。

將定子鐵心兩端、多出鐵心軸向長度的密封絕緣板沿著各自所在位置的圓周弧度進(jìn)行適度彎曲、裁剪、造型，形成一個(gè)近似圓筒形狀，然后將這些密封用絕緣板相互配合打孔，聯(lián)結(jié)成兩個(gè)分別位于定子鐵心兩端的圓筒。整個(gè)效果的橫向剖面如圖2所示，這樣就將定子與里面分開成兩個(gè)空間。

圖2密封SRM定子的橫剖面示意圖

將上述的定子整體進(jìn)行高真空狀態(tài)下加熱、浸漆，即進(jìn)行電機(jī)定子制造過程中的VPI真空壓力浸漬處理，并且要反復(fù)進(jìn)行，一直到如圖2中所示。定子鐵心磁極內(nèi)表面與密封用絕緣板所構(gòu)造出的定子腔體的內(nèi)表面是一個(gè)完整、結(jié)實(shí)、密不透風(fēng)的多面形實(shí)體為止。而位于定子鐵心兩端的、多出鐵心部分的密封用絕緣板，也是完整、結(jié)實(shí)、密不透風(fēng)圓筒形。

將上述制造完成的定子安裝在SRM內(nèi)，然后需要與開關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)殼聯(lián)結(jié)才能形成密封腔體，為此，采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)。制造開關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)殼端蓋，安裝在開關(guān)磁阻電機(jī)的兩端，與機(jī)殼其他部分一起構(gòu)成開關(guān)磁阻電機(jī)的外殼，來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該機(jī)殼端蓋由兩部分組成：用于與定子上密封用絕緣板聯(lián)結(jié)的L型圓筒和與機(jī)殼聯(lián)結(jié)的端蓋，這兩部分的材料可以是原來用于制造開關(guān)磁阻電機(jī)外殼的鋼鐵材料。具體操作步驟：將定子上兩端、多出定子鐵心那部分的密封用絕緣板與圖3中的L型圓筒可靠、牢固聯(lián)結(jié)，然后再將圖3中的用于聯(lián)結(jié)機(jī)殼的端蓋與電機(jī)外殼聯(lián)結(jié)，最后再進(jìn)行聯(lián)結(jié)處的密封處理，保證所有聯(lián)結(jié)處密封可靠。

圖3定子機(jī)殼端蓋設(shè)計(jì)圖

總之，經(jīng)過上述步驟，本文設(shè)計(jì)制造出一個(gè)全新的、專用于封裝SRM定子的密封腔體結(jié)構(gòu)，總體效果見圖4所示的軸向剖面圖。這個(gè)圖是對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)沿著轉(zhuǎn)軸剖開的示意圖。在該密封體內(nèi)充入常溫下是液態(tài)的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)，構(gòu)造出定子灌體結(jié)構(gòu)，同圖1所示的樣機(jī)一樣，利用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的非材料阻尼，衰減電磁振動(dòng)，由于該密封灌體結(jié)構(gòu)沒有占用氣隙空間，氣隙還是保持原有的尺寸，不會(huì)導(dǎo)致漏磁的增加，不會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的正常大小。

圖4用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)浸泡開關(guān)磁阻電機(jī)定子的軸向剖面示意圖

3　結(jié)語

本文根據(jù)SRM振動(dòng)的根源，利用振動(dòng)學(xué)中的有效阻尼系數(shù)，以及蒸發(fā)冷卻技術(shù)中的氣液兩相流，在定子側(cè)想辦法增加阻尼，進(jìn)而將原來的SRM定子殼體結(jié)構(gòu)，徹底改造為一種灌體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)完全不同于以往的蒸發(fā)冷卻電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的主要特征是：不占用氣隙，既可以完全密封定子來顯著衰減SRM的振幅與振速，又可以保持原來SRM電機(jī)的電磁關(guān)系，以保證力能指標(biāo)與效率。這種灌體結(jié)構(gòu)的定子將為徹底解決SRM的振動(dòng)噪聲問題提供了合理可行的新方法。

[1]V. P. Vujicic,“Minimization of torque ripples and copper losses in switched reluctance drive”[J], IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no.1, Jan. 2012.

[2]D.E. Cameron, J.H. Lang and S.D. Umans,“The origin and reduction of acoustic noise in doubly salient variable reluctance motor”[J],IEEE Transactions on Industry Applications, vol.28, no.6, pp.1250-1255, 1992.

[3]D.E. Cameron, J.H. Lang and S.D. Umans, “The origin and reduction of acoustic noise in doubly salient variable reluctance motor”[J], IEEE Transactions on Industry Applications, vol.28, no.6, pp.1250-1255, 1992.

[4]趙天環(huán)，高國旺，王衛(wèi)民，等. 基于ANSYS的開關(guān)磁阻電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，Vol 40.No.5, 2013,pp:6-9.

[5]吳建華.基于物理模型開關(guān)磁阻電機(jī)定子模態(tài)和固有頻率的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),Vol.24 No.8, 2004, pp:109-114.

[6]欒茹. 臥式蒸發(fā)冷卻電機(jī)定子的絕緣與傳熱[M]. 北京:科學(xué)出版社，2009.

A Perfusion Stator Structure to Effectively Damp Vibration of Switched Reluctance Motor

Luan Ru, Guo Jinru, and Qi Xinchun

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China)

Distinguishing with the existing methods of mitigating vibration of the switched reluctance motor, this paper presents an effective damping method to weaken vibration of the motor. After a procedure of mathematics modeling, the result that effective damping coefficient is inverse ratio with vibration shift of motors is achieved. Based on it, this paper offers that un-material damping can realize the bigger effective damping coefficient to obviously reduce vibration and noise of the motor. On the basis of these research results, this paper puts forward the evaporative cooling perfusion structure of switched reluctance motor stator, and describes the design and manufacturing procedure of the perfusion structure in detail. The perfusion structure not only mitigate vibration of the switched reluctance motor, but also have no impact on the force-energy index of the motor.

Switched reluctance motor；evaporative cooling；vibration；stator structure；damping

北京市自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：3152006)，北京建筑大學(xué)科學(xué)研究基金資助(項(xiàng)目編號(hào)00331615023)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.01

TM352

A

1008-7281(2016)04-0001-004

欒茹女1967年生；博士，畢業(yè)于中國科學(xué)院電工研究所，副教授，研究方向?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)等.

2016-04-18