孔慶奕，李艷超，容 燁，張 輝，金宗輝，韓 葉

(河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050035)

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

孔慶奕，李艷超，容 燁，張 輝，金宗輝，韓 葉

(河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050035)

摘 要：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是影響電機(jī)性能的一個(gè)重要因素。以三相12/8開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為例建立電機(jī)仿真模型，以減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為目的，修改相應(yīng)的電機(jī)本體結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出一種在電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子齒上開槽的方法來改變電機(jī)內(nèi)部的磁力線路徑，以減小定轉(zhuǎn)子之間的徑向磁密，實(shí)現(xiàn)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了該方法對(duì)減小開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲具有較為明顯的效果。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；電機(jī)性能；噪聲抑制

0 引 言

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(以下簡稱SRM)作為一種新型電機(jī)，相比于其他電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)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(guān)，特殊的結(jié)構(gòu)使其可獲得較高的轉(zhuǎn)速，并且可以通過對(duì)電流的不同控制滿足不同負(fù)載要求的機(jī)械特性。近年來，SRM在混合動(dòng)力汽車、航天和機(jī)械制造領(lǐng)域都有著較好的發(fā)展前景[1]。

然而，由于SRM本身的雙凸極結(jié)構(gòu)，在繞組換相時(shí)會(huì)造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯，所引起的電機(jī)噪聲與振動(dòng)比一般電動(dòng)機(jī)大，且無法消除[2]，因此研究如何減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)已經(jīng)成為SRM研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。電機(jī)的控制策略和結(jié)構(gòu)優(yōu)化都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的減小[3]，本文針對(duì)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響展開討論分析。

針對(duì)SRM本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電機(jī)內(nèi)部氣隙磁密分布情況，本文研究一種新型的定轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)，在定子兩側(cè)開槽以及前端和后端增加極靴，在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開槽，改變電機(jī)內(nèi)部的氣隙磁密方向，削弱了定轉(zhuǎn)子之間的徑向磁密，從而減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。利用電磁仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)改變前后2種電機(jī)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真，驗(yàn)證了本方法對(duì)抑制電機(jī)噪聲振動(dòng)的有效性。

1 基于磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)的削弱SRM電磁脈動(dòng)方法

根據(jù)磁場(chǎng)邊界條件可知，磁力線在通過2種不同物質(zhì)分界面時(shí)，會(huì)發(fā)生“折射”——即產(chǎn)生磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)，如圖1所示。

圖1 磁力線邊緣磁效應(yīng)

設(shè)鐵心和空氣氣隙界面兩側(cè)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(duì)于SRM定轉(zhuǎn)子而言，靠近氣隙一側(cè)，磁力線的出射角和入射角都接近于90°。根據(jù)麥克斯韋張量法可知，隨著定子表面的出射角和轉(zhuǎn)子表面入射角的增大，法線方向的磁密將增大，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子表面的徑向力將增大，加劇SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[4]，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)前轉(zhuǎn)子齒表面磁密走向

為了減小徑向力，可以在電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上做一下變化[5]。如圖3所示，嘗試在定子和轉(zhuǎn)子的兩側(cè)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(zhuǎn)子方向的入射角β2隨之減小，使得定子齒和轉(zhuǎn)子齒一側(cè)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)，達(dá)到減小噪聲的效果[6]。另外考慮到定轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相互接觸容易發(fā)生轉(zhuǎn)矩突變，在定子磁極前后端增加了極靴，增大了定轉(zhuǎn)子的接觸面積，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)定轉(zhuǎn)子重合前的緩沖區(qū)域，有效減小脈動(dòng)突變，減小噪聲[7]。

圖3 改進(jìn)后定轉(zhuǎn)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(duì)其進(jìn)行建模優(yōu)化仿真，研究開槽位置和定子前后端極靴角大小對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大小的影響，SRM電機(jī)額定參數(shù)如表1所示。

表1 SRM額定參數(shù)

應(yīng)用Ansoft電磁仿真軟件對(duì)SRM結(jié)構(gòu)變換前后進(jìn)行建模仿真，如圖4所示。

(a) 最初結(jié)構(gòu)

(b) 改進(jìn)結(jié)構(gòu)

750 W的12/8三相SRM的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 SRM主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 轉(zhuǎn)子開槽位置的影響

由電磁邊緣理論分析可知，電機(jī)內(nèi)部的磁密分布受到定轉(zhuǎn)子開槽位置的影響，進(jìn)而影響到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。下面以750 W的12/8三相SRM為例，通過對(duì)開槽高度進(jìn)行調(diào)整，來對(duì)比分析開槽位置對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)矩變化如圖5所示?？梢钥闯觯S著齒頂高度增加，平均轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)一般用轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)衡量。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)越大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大；反之，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小。

轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)K[11]可表示：

(2)

式中：Tmax為最大轉(zhuǎn)矩值;Tmin為最小轉(zhuǎn)矩值;Tavg為平均轉(zhuǎn)矩值。

如表3所示，定轉(zhuǎn)子兩側(cè)開槽時(shí)，和未開槽相比，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)明顯減小，即轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小了，電機(jī)的噪聲也因此大幅度降低，說明雙側(cè)開槽的方法對(duì)減小SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有效，并且由表3可知，隨著開槽位置高度增加，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)在逐漸增大，這是由于開槽高度越高，磁力線的路線改變?cè)讲幻黠@，入射角α越大，導(dǎo)致徑向磁密越大，所以脈動(dòng)越明顯，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)也就越大。開槽越靠近齒頂時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)越小，改善效果越好，但是考慮到電機(jī)的機(jī)械穩(wěn)定性問題，在靠近齒頂位置，所受電磁力切向力比較大，會(huì)造成SRM轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度降低。為了獲得較大的切向轉(zhuǎn)矩和較小的徑向轉(zhuǎn)矩，我們將轉(zhuǎn)子開槽位置定在距齒頂2 mm處，能夠達(dá)到降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和保證機(jī)械強(qiáng)度的目的。

表3 SRM轉(zhuǎn)子開槽位置對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)的影響

2.2 定子前后端增加極靴抑制脈動(dòng)

定轉(zhuǎn)子凸極從不重合到完全重合再到完全分離的位置，徑向轉(zhuǎn)矩先增大后減小，這樣就容易造成電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)引起周期性脈動(dòng)，磁密分布如圖6、圖7所示。為了抑制脈動(dòng)，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(jié)構(gòu)的變化，會(huì)使定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁極瞬間的轉(zhuǎn)矩突變值，達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果。如表4所示，定子前后端加上極靴后，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩有所降低，但是總體上并不影響電機(jī)的主要性能。

圖6 定轉(zhuǎn)子凸極不重合磁密分布

圖7 定轉(zhuǎn)子凸極完全重合磁密分布

結(jié)構(gòu)類型平均轉(zhuǎn)矩Tavg/(N·m)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)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(duì)電機(jī)波動(dòng)系數(shù)的影響，通過實(shí)驗(yàn)考察了契形角為45°和90°時(shí)情況，如表5所示?？梢姡瑯O靴前端的契形角越小，脈動(dòng)系數(shù)越小，但是同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩減小?？紤]到本文中在定子齒兩端開槽，為了電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度，契形角不宜選得過小。綜合考慮電機(jī)性能，本文選擇契形角形狀為直角，電機(jī)性能效果為最佳。

表5 SRM定子極靴契型角對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)的影響

3 結(jié) 語

本文通過對(duì)磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)理論的分析，歸納出可以通過改變電機(jī)本體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部氣隙磁場(chǎng)路徑走向的一種方法，這種方法可以有效達(dá)到減小徑向磁密，改善電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的，并通過對(duì)750W的12/8三相SRM進(jìn)行有限元仿真來驗(yàn)證方法的有效性，得出如下結(jié)論：

1)在定轉(zhuǎn)子兩側(cè)開槽能有效降低電機(jī)內(nèi)部的徑向磁力，達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和減少SRM噪聲的目的。

2)開槽位置對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)和平均轉(zhuǎn)矩均有影響，離齒頂越近，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)越小，但考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械穩(wěn)定性，選取離齒頂2 mm處作為電機(jī)開槽最優(yōu)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(zhuǎn)矩，但是增大了定子和轉(zhuǎn)子的有效接觸面積，有效地抑制了定轉(zhuǎn)子磁極瞬間的轉(zhuǎn)矩突變值，達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果，并且考察了定子極靴契形角大小對(duì)電機(jī)整體性能的影響。

4)這種通過改變電機(jī)本體結(jié)構(gòu)來改變磁力線路徑的方法，在工程上易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)于其他雙凸極類型電機(jī)的噪聲抑制問題，都具有借鑒作用，有較好的應(yīng)用前景。

[1] 朱曰瑩,趙桂范,楊娜.電動(dòng)汽車用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(11)： 88-98.

[2] 蔡燕,張東學(xué).開關(guān)磁阻電機(jī)新型轉(zhuǎn)子齒形對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的仿真研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(S2)：64-70.

[3] 林委，嚴(yán)欣平，黃嵩，等．8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)分布與電感參數(shù)研究[J].微電機(jī)，2014，47(8)：7-10．

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[5] 張懿，姜文濤，蔡燕,等．開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法綜述[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(8)：49．

[6] 陳世坤．電機(jī)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[7] 宋受俊，葛樂飛，劉虎成，等．開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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(hào)：TM352

A

1004-7018(2018)05-0028-03

2017-12-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51577048)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(QN2016203)；河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(ZR-201701)

作者簡介：孔慶奕(1983—),男,博士后，副教授，研究方向?yàn)楣こ屉姶艌?chǎng)分析、磁性材料模擬與應(yīng)用。